CN105127599A - 运动工件飞秒激光加工中椭圆运动曝光方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种运动工件飞秒激光加工中椭圆运动曝光方法及***，属于飞秒激光加工技术领域。椭圆运动工作台安装运动台之上，在三维椭圆运动工作台的驱动下，待加工件相对于沿X和Y向进给的运动台以平动的方式作高频三维椭圆运动，通过调整椭圆运动频率和幅值，使待加工件中预期曝光位置p的瞬时速度沿X和Y向的投影分量和在椭圆的上顶点或下顶点处分别与运动台沿X和Y向的进给速度大小相等、方向相反，从而使得激光束相对于运动工件获得具有足够光通量的拟静态驻留；通过改变椭圆运动幅值可以调整相邻两个曝光位置的距离。所述方法及***在飞秒激光加工中易于实施，可以在工件作快速进给的过程中对工件中预期曝光的位置进行高效曝光。

Description

运动工件飞秒激光加工中椭圆运动曝光方法及***

技术领域

本发明属于飞秒激光加工技术领域，特别是涉及一种运动工件飞秒激光加工中椭圆运动曝光方法及***。

背景技术

飞秒激光加工技术主要涉及利用飞秒激光束进行工件表面烧蚀、体内***、折射率改变、两光子聚合等加工工艺，不仅可用于制备三维纳微结构功能表面器件，还可用于改变材料内部性质，并可制备体内三维纳微结构功能器件，在许多重要的工程领域受到了广泛关注。无论利用飞秒激光束对材料是进行去除、改性、还是成形，飞秒激光束作用于工件都必须具有充分的光通量。为了获得大面积的三维纳微结构功能器件，飞秒激光束必须相对于工件作扫描运动，或者工件相对于飞秒激光束作进给运动。

现有的扫描或进给实施，主要涉及两种基本类型：其一是工件不动，通过一维或二维振镜偏转飞秒激光束，使飞秒激光束相对于工件作扫描运动；其二是激光束不动，装夹工件的运动台相对于飞秒激光束作平动进给运动。无论是第一种扫描方法还是第二种进给方法，飞秒激光束与工件之间的相互作用主要涉及两种曝光技术方案：其一，飞秒激光束与工件之间作点位曝光(Pinpointexposure)，这要求激光束相对于工件必须在期望的曝光位置处于相对静止，然而作高速偏转的激光束或快速平动进给的运动台在运动中迅速停止并稳定是十分困难的；其二，激光束与工件之间作连续曝光(Continuousexposure)，然而为了使得工件材料获得足够的光通量，飞秒激光束相对于待加工件的扫描速度必须限定在特定范围内，这限制了加工效率的提高。

发明内容

本发提供一种运动工件飞秒激光加工中椭圆运动曝光方法及***，以解决装载飞秒激光束或工件的运动台由于运动惯性难以急停的问题，以及避免连续曝光中飞秒激光束扫描速度或运动台进给速度受限于光通量难以提高的问题，从而更好地满足三维纳微结构高效加工的要求。

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

(1)将待加工件装夹在一个椭圆运动工作台上，椭圆运动工作台安装在可沿X和Y向进给的运动台之上，在椭圆运动工作台的驱动下，待加工件以平动方式相对于运动台作二维椭圆运动或三维椭圆运动，安装椭圆运动工作台的运动台，由可沿X向进给的运动台和沿Y向进给的运动台组成，可在XOY面内沿X轴和Y轴进行大行程的平动进给以实现工件相对于飞秒激光束的扫描运动，飞秒激光束不必进行摆动扫描，运动台和运动台分别是气浮支撑并采用直线电机进行直接驱动的运动轴，各轴皆具有亚微米级运动精度和大行程；聚焦物镜安装在Z轴运动台上，Z轴运动台沿Z轴的微运动用于实现激光束焦点在待加工件中沿Z轴方向上的进给；激光束由飞秒激光器发出，经衰减器、光快门、扩束镜、反射镜一、光阑、反射镜二、反射镜三、分束镜、聚焦物镜后，沿Z轴方向作用于待加工件，激光束的通断通过光快门进行控制；加工过程由数字摄像机、凸透镜、分束镜实现在线观测，照明光由照明光源发出，经反射镜反射，照射在待加工件上；

(2)所述的椭圆运动工作台，分别采用三个压电致动元件直接驱动柔性支撑的载物台沿X、Y和Z向作周期性运动，通过控制相邻两个运动方向之间的相位差，以使载物台分别在垂直平面XOZ和YOZ上形成二维的椭圆运动轨迹，在水平面XOY上形成往复的直线运动轨迹；三个压电致动元件的输入信号为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_x\left(t\right)=V_{x}cos(2\mathrm{\π}ft+{\mathrm{\φ}}_x)\\ u_y\left(t\right)=V_{y}cos(2\mathrm{\π}ft+{\mathrm{\φ}}_y)\\ u_z\left(t\right)=V_{z}cos(2\mathrm{\π}ft+{\mathrm{\φ}}_z)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，V_x、V_y、V_z分别为X、Y、Z向三个压电致动元件驱动信号u_x(t)、u_y(t)、u_z(t)的幅值；为分别为X、Y、Z向驱动信号的初相位；f为驱动信号的频率。在三维椭圆运动工作台的驱动下，待加工件预期曝光位置p位移可表示为：

式中，a_x、a_y和a_z分别是待加工件中预期曝光位置p的在X轴、Y轴、Z轴方向的振幅；和分别是预期曝光位置p在X、Y和Z向振动的初始相位；f是三维椭圆运动工作台的运动频率；

为了使工件中预期曝光位置p在坐标平面XOY上形成直线轨迹，而在坐标平面XOZ和YOZ上分别形成椭圆轨迹，相邻运动之间相位差必须满足：

式中，n₁、n₂、n₃皆为整数。为和的相位差，为和的相位差，为和的相位差。特别是当满足：

时，待加工件中预期曝光位置p将在坐标平面XOZ和YOZ上分别形成标准的椭圆轨迹，即两个椭圆的长轴都将分别平行于坐标轴OX和OY；

(3)为了使待加工件上预期曝光位置p相对于激光束在水平面XOY上的瞬时速度为零，必须满足如下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{px}=-v_{fx}\\ v_{py}=-v_{fy}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，v_px和v_py分别是工件上预期曝光位置p相对于运动台12的瞬时速度v_p在X和Y方向的分量；v_fx和v_fy分别是运动台沿X和Y向的进给速度；工件上预期曝光位置p的瞬时速度方向即是在水平的坐标平面XOY上的往复直线运动方向，合成进给速度v_p与运动台12的合成进给速度v_f大小相等、方向相反；

由式(2)可得到，工件中预期曝光位置p的三个速度分量如下：

由式(6)可得到在椭圆下顶点处的水平速度v_p在X、Y方向分量的绝对值分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{px}=2{\mathrm{\πa}}_{x}f\\ v_{py}=2{\mathrm{\πa}}_{y}f\end{array}\right.---\left(7\right)$

因此可通过改变三维椭圆运动工作台的振幅a_x和a_y以及三维椭圆运动工作台的运动频率f以调节v_px和v_py，从而匹配工作台在X和Y方向上的的进给速度v_fx和v_fy；

此时，快门通断一次，完成一次曝光；

(4)为实现激光束对工件的连续加工，每次椭圆运动轨迹到达下顶点时，须完成曝光一次，即光快门的通断频率f_s应该等于工件作椭圆运动的频率f，以使飞秒激光束的通断与工件的椭圆运动同步，亦即飞秒激光束仅在工件作椭圆运动下顶点以及局部邻域内作用于工件，下一周期曝光位置与前一周期曝光在X、Y方向的相距距离d_x、d_y为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_x=v_{fx}T=\frac{v_{fx}}{f}\\ d_y=v_{fy}T=\frac{v_{fy}}{f}\end{array}\right.---\left(8\right)$

由式(5)、式(7)、式(8)联立可得：

$\{\begin{array}{c}{a}_x=\frac{d_x}{2\mathrm{\π}}\\ a_y=\frac{d_y}{2\mathrm{\π}}\end{array}---\left(9\right)$

三维椭圆运动工作台在X、Y方向的振幅a_x、a_y由相邻周期曝光位置在X、Y方向的距离d_x、d_y决定。当三维椭圆运动工作台在X、Y方向的振幅a_x、a_y确定之后，由式(5)、(7)可得：

$f=\frac{v_{fx}}{2{\mathrm{\πa}}_x}=\frac{v_{fy}}{2{\mathrm{\πa}}_y}---\left(10\right)$

三维椭圆运动工作台的运动频率f由运动台在X、Y方向的进给速度v_fx、v_fy决定，运动台的进给速度决定了待加工件的加工速度，当运动台速度提升时，提高三维椭圆运动工作台的频率，可以匹配运动台的进给速度，从而实现了在工件作快速进给的过程中对工件中预期曝光的位置进行高效曝光。

本发明实现运动工件飞秒激光加工中椭圆运动曝光方法的***是：

飞秒激光器、经衰减器、光快门、扩束镜、反射镜一、光阑、反射镜二、反射镜三、分束镜、聚焦物镜顺序光连接，数字摄像机和凸透镜位于分束镜上方，运动台位于聚焦物镜的下方，照明光源和反射镜位于运动台下方，椭圆运动工作台位于运动台上方。

所述椭圆运动工作台的结构是：侧挡板一通过螺钉三、螺钉四与底板连接，侧挡板二通过螺钉五、螺钉六与底板连接，具有铰链结构的工作台的固定端一通过螺钉七、螺钉八安装在侧挡板一之上；固定端二通过螺钉九、螺钉十安装在侧挡板二之上，X向压电叠堆一通过预紧螺钉一与X向驱动块顶接，Y向压电叠堆二通过预紧螺钉二与Y向驱动块顶接，Z向挡块通过固定螺钉一、固定螺钉二固定在X向驱动块上，Z向压电叠堆三安装在Z向挡块之上，通过下部预紧螺钉三与载物台顶接；X向位移传感器与X向压电叠堆一方向一致，安装在X向压电叠堆一一侧通孔内，由紧固螺钉三固定；Y向位移传感器与Y向压电叠堆二方向一致，安装在Y向压电叠堆二一侧通孔内，由紧固螺钉四固定；Z向位移传感器与Z向压电叠堆三方向一致，安装在Z向挡块之上，在Z向压电叠堆三一侧，由紧固螺钉五固定；

所述具有铰链结构的工作台由载物台、X向驱动块、Y向驱动块、固定端一、固定端二通过它们之间的柔性铰链连接而成，所述载物台通过柔性铰链一、柔性铰链二、柔性铰链三、柔性铰链四与X向驱动块相接，X向驱动块由复合铰链一、复合铰链二、复合铰链三、复合铰链四与Y向驱动块相连接，复合铰链一与复合铰链二相对于主体Y向中心位置为对称结构，复合铰链三与复合铰链四相对于主体Y向中心位置为对称结构；复合铰链一与复合铰链二、复合铰链三与复合铰链四对称分布在X向驱动块两端，与Y向驱动块相连接，复合铰链五与复合铰链六相对于主体X向中心位置为对称结构，复合铰链七与复合铰链八相对于主体X向中心位置为对称结构，复合铰链五与复合铰链六、复合铰链七与复合铰链八对称分布在Y向驱动块两端，两侧分别与固定端一、固定端二相连接；

所述复合铰链一、复合铰链二、复合铰链三或复合铰链四分别由四个直梁型铰链首尾相连组成。

通过对压电叠堆一、压电叠堆二、压电叠堆三的振幅、频率和相位的主动控制，实现工作台在空间中做二维椭圆运动或三维椭圆运动。

本发明的优点是利用所述方法及***可以在装夹工件的运动台相对于飞秒激光束的快速进给中、对运动工件的预期曝光位置进行曝光，不仅可解决装载飞秒激光束或工件的运动台由于运动惯性难以急停的问题，也可避免连续曝光中飞秒激光束扫描速度或运动台进给速度受限于光通量难以提高的问题，从而更好地满足三维纳微结构高效加工的要求。本发明在飞秒激光加工中易于实施，可以在工件作快速进给的过程中对工件中预期曝光的位置进行高效曝光。

附图说明

图1是运动工件在飞秒激光加工中椭圆运动曝光***的结构图；

图2是由X向运动台和Y向运动台组成的X-Y向运动台结构示意图；

图3为三维椭圆运动工作台形成的三维椭圆轨迹以及三维椭圆轨迹在XOZ、YOZ、XOY平面上的投影；

图4是在工件运动中飞秒激光束在XOZ平面进行椭圆运动曝光的原理图，飞秒激光束在待加工件上的预期位置瞬时驻留并作定点曝光，椭圆运动轨迹在平面XOZ为顺时针方向；

图5是在工件运动中飞秒激光束在YOZ平面进行椭圆运动曝光的原理图，飞秒激光束在待加工件上的预期位置瞬时驻留并作定点曝光，椭圆运动轨迹在平面YOZ为顺时针方向；

图6是飞秒激光束在运动工件中在预期曝光位置p完成一次曝光后，在下一周期到达下一预期曝光位置p'在XOZ平面的投影图；

图7是飞秒激光束在运动工件中在预期曝光位置p完成一次曝光后，在下一周期到达下一预期曝光位置p'在XOZ平面的投影图；

图8是本发明椭圆运动工作台的结构示意图；

图9是本发明椭圆运动工作台去掉底板后的仰视轴测图；

图10是本发明椭圆运动工作台具有柔性铰链的工作台主体的轴测图；

图11是本发明中椭圆运动工作台由偶数个直梁型铰链首尾相连组成的复合铰链对称分布于受力两侧的示意图；

图12是本发明椭圆运动工作台具有柔性铰链的工作台主体的俯视图。

具体实施方式

包括下列步骤：

(1)将待加工件14装夹在一个椭圆运动工作台2上；椭圆运动工作台2安装在可沿X和Y向进给的运动台12之上；在椭圆运动工作台2的驱动下，待加工件14以平动方式相对于运动台12作二维椭圆运动或三维椭圆运动；安装椭圆运动工作台2的运动台12，由可沿X向进给的运动台1201和沿Y向进给的运动台1202组成，可在XOY面内沿X轴和Y轴进行大行程的平动进给以实现工件相对于飞秒激光束的扫描运动，飞秒激光束不必进行摆动扫描；运动台1201和运动台1202分别是气浮支撑并采用直线电机进行直接驱动的运动轴，各轴皆具有亚微米级运动精度和大行程；聚焦物镜15安装在Z轴运动台上，Z轴运动台沿Z轴的微运动用于实现激光束焦点在待加工件中沿Z轴方向上的进给；激光束13由飞秒激光器1发出，经衰减器3、光快门4、扩束镜5、反射镜一6、光阑7、反射镜二8、反射镜三19、分束镜16、聚焦物镜15后，沿Z轴方向作用于待加工件14；激光束13的通断通过光快门4进行控制；加工过程由数字摄像机18、凸透镜17、分束镜16实现在线观测；照明光11由照明光源10发出，经反射镜9反射，照射在待加工件14上。

(2)所述的椭圆运动工作台2，分别采用三个压电致动元件直接驱动柔性支撑的载物台沿X、Y和Z向作周期性运动，通过控制相邻两个运动方向之间的相位差，以使载物台分别在垂直平面XOZ和YOZ上形成二维的椭圆运动轨迹，在水平面XOY上形成往复的直线运动轨迹；三个压电致动元件的输入信号为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_x\left(t\right)=V_{x}cos(2\mathrm{\π}ft+{\mathrm{\φ}}_x)\\ u_y\left(t\right)=V_{y}cos(2\mathrm{\π}ft+{\mathrm{\φ}}_y)\\ u_z\left(t\right)=V_{z}cos(2\mathrm{\π}ft+{\mathrm{\φ}}_z)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，V_x、V_y、V_z分别为X、Y、Z向三个压电致动元件驱动信号u_x(t)、u_y(t)、u_z(t)的幅值；为分别为X、Y、Z向驱动信号的初相位；f为驱动信号的频率。在三维椭圆运动工作台的驱动下，待加工件预期曝光位置p位移可表示为

式中，a_x、a_y和a_z分别是待加工件中预期曝光位置p的在X轴、Y轴、Z轴方向的振幅；和分别是预期曝光位置p在X、Y和Z向振动的初始相位；f是三维椭圆运动工作台的运动频率。

为了使工件中预期曝光位置p在坐标平面XOY上形成直线轨迹，而在坐标平面XOZ和YOZ上分别形成椭圆轨迹，相邻运动之间相位差必须满足：

式中，n₁、n₂、n₃皆为整数。为和的相位差，为和的相位差，为和的相位差。特别是当满足

时，待加工件中预期曝光位置p将在坐标平面XOZ和YOZ上分别形成标准的椭圆轨迹，即两个椭圆的长轴都将分别平行于坐标轴OX和OY。

(3)为了使待加工件上预期曝光位置p相对于激光束在水平面XOY上的瞬时速度为零，必须满足如下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{px}=-v_{fx}\\ v_{py}=-v_{fy}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，v_px和v_py分别是工件上预期曝光位置p相对于运动台12的瞬时速度v_p在X和Y方向的分量；v_fx和v_fy分别是运动台沿X和Y向的进给速度。由此可知，工件上预期曝光位置p的瞬时速度方向即是在水平的坐标平面XOY上的往复直线运动方向，合成进给速度v_p与运动台12的合成进给速度v_f大小相等、方向相反。

由式(2)可得到，工件中预期曝光位置p的三个速度分量如下：

由式(6)可得到在椭圆下顶点处的水平速度v_p在X、Y方向分量的绝对值分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{px}=2{\mathrm{\πa}}_{x}f\\ v_{py}=2{\mathrm{\πa}}_{y}f\end{array}\right.---\left(7\right)$

因此可通过改变三维椭圆运动工作台的振幅a_x和a_y以及三维椭圆运动工作台的运动频率f以调节v_px和v_py，从而匹配工作台在X和Y方向上的的进给速度v_fx和v_fy；

此时，快门通断一次，完成一次曝光。

(4)为实现激光束对工件的连续加工，每次椭圆运动轨迹到达下顶点时，须完成曝光一次，即光快门的通断频率f_s应该等于工件作椭圆运动的频率f，以使飞秒激光束的通断与工件的椭圆运动同步，亦即飞秒激光束仅在工件作椭圆运动下顶点以及局部邻域内作用于工件。下一周期曝光位置与前一周期曝光在X、Y方向的相距距离d_x、d_y为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_x=v_{fx}T=\frac{v_{fx}}{f}\\ d_y=v_{fy}T=\frac{v_{fy}}{f}\end{array}\right.---\left(8\right)$

由式(5)、式(7)、式(8)联立可得：

$\{\begin{array}{c}{a}_x=\frac{d_x}{2\mathrm{\π}}\\ a_y=\frac{d_y}{2\mathrm{\π}}\end{array}---\left(9\right)$

三维椭圆运动工作台在X、Y方向的振幅a_x、a_y由相邻周期曝光位置在X、Y方向的距离d_x、d_y决定。当三维椭圆运动工作台在X、Y方向的振幅a_x、a_y确定之后，由式(5)、(7)可得：

$f=\frac{v_{fx}}{2{\mathrm{\πa}}_x}=\frac{v_{fy}}{2{\mathrm{\πa}}_y}---\left(10\right)$

椭圆运动工作台的运动频率f由运动台在X、Y方向的进给速度v_fx、v_fy决定。运动台的进给速度决定了待加工件的加工速度。当运动台速度提升时，提高三维椭圆运动工作台的频率，可以匹配运动台的进给速度，从而实现了在工件作快速进给的过程中对工件中预期曝光的位置进行高效曝光。

本发明实现运动工件飞秒激光加工中椭圆运动曝光方法的***是：

飞秒激光器1、经衰减器3、光快门4、扩束镜5、反射镜一6、光阑7、反射镜二8、反射镜三19、分束镜16、聚焦物镜15顺序光连接，数字摄像机18和凸透镜17位于分束镜16上方，运动台12位于聚焦物镜15的下方，照明光源10和反射镜9位于运动台12下方，椭圆运动工作台2位于运动台12上方。

所述椭圆运动工作台2的结构是：侧挡板一201通过螺钉三225、螺钉四227与底板224连接，侧挡板二214通过螺钉五212、螺钉六215与底板224连接，具有铰链结构的工作台209的固定端一20903通过螺钉七202、螺钉八208安装在侧挡板一201之上；固定端二20911通过螺钉九211、螺钉十213安装在侧挡板二214之上，X向压电叠堆一222通过预紧螺钉一223与X向驱动块20907顶接，Y向压电叠堆二206通过预紧螺钉二205与Y向驱动块20906顶接，Z向挡块219通过固定螺钉一207、固定螺钉二210固定在X向驱动块20907上，Z向压电叠堆三217安装在Z向挡块219之上，通过下部预紧螺钉三226与载物台20916顶接；X向位移传感器220与X向压电叠堆一222方向一致，安装在X向压电叠堆一222一侧通孔内，由紧固螺钉三221固定；Y向位移传感器203与Y向压电叠堆二206方向一致，安装在Y向压电叠堆二206一侧通孔内，由紧固螺钉四204固定；Z向位移传感器218与Z向压电叠堆三217方向一致，安装在Z向挡块219之上，在Z向压电叠堆三217一侧，由紧固螺钉五216固定；

所述具有铰链结构的工作台209由载物台20916、X向驱动块20907、Y向驱动块20906、固定端一20903、固定端二20911通过它们之间的柔性铰链连接而成，所述载物台20916通过柔性铰链一20902、柔性铰链二20904、柔性铰链三20912、柔性铰链四20914与X向驱动块20907相接，X向驱动块20907由复合铰链一20908、复合铰链二20909、复合铰链三20915、复合铰链四20917与Y向驱动块20906相连接，复合铰链一20908与复合铰链二20909相对于主体Y向中心位置为对称结构，复合铰链三20915与复合铰链四20917相对于主体Y向中心位置为对称结构；复合铰链一20908与复合铰链二20909、复合铰链三20915与复合铰链四20917对称分布在X向驱动块两端，与Y向驱动块相连接，复合铰链五20901与复合铰链六20905相对于主体X向中心位置为对称结构，复合铰链七20910与复合铰链八20913相对于主体X向中心位置为对称结构，复合铰链五20901与复合铰链六20905、复合铰链七20910与复合铰链八20913对称分布在Y向驱动块两端，两侧分别与固定端一20903、固定端二20911相连接；

所述复合铰链一、复合铰链二20909、复合铰链三20915或复合铰链四分别由四个直梁型铰链首尾相连组成。

通过对压电叠堆一222、压电叠堆二206、压电叠堆三217的振幅、频率和相位的主动控制，实现工作台在空间中做二维椭圆运动或三维椭圆运动。

Claims (5)

1.一种运动工件飞秒激光加工中椭圆运动曝光方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)将待加工件装夹在一个椭圆运动工作台上，椭圆运动工作台安装在可沿X和Y向进给的运动台之上，在椭圆运动工作台的驱动下，待加工件以平动方式相对于运动台作二维椭圆运动或三维椭圆运动，安装椭圆运动工作台的运动台，由可沿X向进给的运动台和沿Y向进给的运动台组成，可在XOY面内沿X轴和Y轴进行大行程的平动进给以实现工件相对于飞秒激光束的扫描运动，飞秒激光束不必进行摆动扫描，运动台和运动台分别是气浮支撑并采用直线电机进行直接驱动的运动轴，各轴皆具有亚微米级运动精度和大行程；聚焦物镜安装在Z轴运动台上，Z轴运动台沿Z轴的微运动用于实现激光束焦点在待加工件中沿Z轴方向上的进给；激光束由飞秒激光器发出，经衰减器、光快门、扩束镜、反射镜一、光阑、反射镜二、反射镜三、分束镜、聚焦物镜后，沿Z轴方向作用于待加工件，激光束的通断通过光快门进行控制；加工过程由数字摄像机、凸透镜、分束镜实现在线观测，照明光由照明光源发出，经反射镜反射，照射在待加工件上；

(2)所述的椭圆运动工作台，分别采用三个压电致动元件直接驱动柔性支撑的载物台沿X、Y和Z向作周期性运动，通过控制相邻两个运动方向之间的相位差，以使载物台分别在垂直平面XOZ和YOZ上形成二维的椭圆运动轨迹，在水平面XOY上形成往复的直线运动轨迹；三个压电致动元件的输入信号为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_x\left(t\right)=V_{x}cos(2\mathrm{\π}ft+{\mathrm{\φ}}_x)\\ u_y\left(t\right)=V_{y}cos(2\mathrm{\π}ft+{\mathrm{\φ}}_y)\\ u_z\left(t\right)=V_{z}cos(2\mathrm{\π}ft+{\mathrm{\φ}}_z)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，V_x、V_y、V_z分别为X、Y、Z向三个压电致动元件驱动信号u_x(t)、u_y(t)、u_z(t)的幅值；φ_x、φ_y、φ_z为分别为X、Y、Z向驱动信号的初相位；f为驱动信号的频率。在三维椭圆运动工作台的驱动下，待加工件预期曝光位置p位移可表示为：

式中，a_x、a_y和a_z分别是待加工件中预期曝光位置p的在X轴、Y轴、Z轴方向的振幅；和分别是预期曝光位置p在X、Y和Z向振动的初始相位；f是三维椭圆运动工作台的运动频率；

为了使工件中预期曝光位置p在坐标平面XOY上形成直线轨迹，而在坐标平面XOZ和YOZ上分别形成椭圆轨迹，相邻运动之间相位差必须满足：

式中，n₁、n₂、n₃皆为整数。为和的相位差，为和的相位差，为和的相位差。特别是当满足：

时，待加工件中预期曝光位置p将在坐标平面XOZ和YOZ上分别形成标准的椭圆轨迹，即两个椭圆的长轴都将分别平行于坐标轴OX和OY；

(3)为了使待加工件上预期曝光位置p相对于激光束在水平面XOY上的瞬时速度为零，必须满足如下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{px}=-v_{fx}\\ v_{py}=-v_{fy}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，v_px和v_py分别是工件上预期曝光位置p相对于运动台12的瞬时速度v_p在X和Y方向的分量；v_fx和v_fy分别是运动台沿X和Y向的进给速度；工件上预期曝光位置p的瞬时速度方向即是在水平的坐标平面XOY上的往复直线运动方向，合成进给速度v_p与运动台12的合成进给速度v_f大小相等、方向相反；

由式(2)可得到，工件中预期曝光位置p的三个速度分量如下：

由式(6)可得到在椭圆下顶点处的水平速度v_p在X、Y方向分量的绝对值分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{px}=2{\mathrm{\πa}}_{x}f\\ v_{py}=2{\mathrm{\πa}}_{y}f\end{array}\right.---\left(7\right)$

因此可通过改变三维椭圆运动工作台的振幅a_x和a_y以及三维椭圆运动工作台的运动频率f以调节v_px和v_py，从而匹配工作台在X和Y方向上的的进给速度v_fx和v_fy；

此时，快门通断一次，完成一次曝光；

(4)为实现激光束对工件的连续加工，每次椭圆运动轨迹到达下顶点时，须完成曝光一次，即光快门的通断频率f_s应该等于工件作椭圆运动的频率f，以使飞秒激光束的通断与工件的椭圆运动同步，亦即飞秒激光束仅在工件作椭圆运动下顶点以及局部邻域内作用于工件，下一周期曝光位置与前一周期曝光在X、Y方向的相距距离d_x、d_y为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_x=v_{fx}T=\frac{v_{fx}}{f}\\ d_y=v_{fy}T=\frac{v_{fy}}{f}\end{array}\right.---\left(8\right)$

由式(5)、式(7)、式(8)联立可得：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_x=\frac{d_x}{2\mathrm{\π}}\\ a_y=\frac{d_y}{2\mathrm{\π}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

三维椭圆运动工作台在X、Y方向的振幅a_x、a_y由相邻周期曝光位置在X、Y方向的距离d_x、d_y决定。当三维椭圆运动工作台在X、Y方向的振幅a_x、a_y确定之后，由式(5)、(7)可得：

$f=\frac{v_{fx}}{2{\mathrm{\πa}}_x}=\frac{v_{fy}}{2{\mathrm{\πa}}_y}---\left(10\right)$

三维椭圆运动工作台的运动频率f由运动台在X、Y方向的进给速度v_fx、v_fy决定，运动台的进给速度决定了待加工件的加工速度，当运动台速度提升时，提高三维椭圆运动工作台的频率，可以匹配运动台的进给速度，从而实现了在工件作快速进给的过程中对工件中预期曝光的位置进行高效曝光。

2.一种运动工件飞秒激光加工中椭圆运动曝光的***，飞秒激光器、经衰减器、光快门、扩束镜、反射镜一、光阑、反射镜二、反射镜三、分束镜、聚焦物镜顺序光连接，数字摄像机和凸透镜位于分束镜上方，运动台位于聚焦物镜的下方，照明光源和反射镜位于运动台下方，其特征在于：椭圆运动工作台位于运动台上方。

3.根据权利要求2所述的一种运动工件飞秒激光加工中椭圆运动曝光的***，其特征在于：所述椭圆运动工作台的结构是：侧挡板一通过螺钉三、螺钉四与底板连接，侧挡板二通过螺钉五、螺钉六与底板连接，具有铰链结构的工作台的固定端一通过螺钉七、螺钉八安装在侧挡板一之上；固定端二通过螺钉九、螺钉十安装在侧挡板二之上，X向压电叠堆一通过预紧螺钉一与X向驱动块顶接，Y向压电叠堆二通过预紧螺钉二与Y向驱动块顶接，Z向挡块通过固定螺钉一、固定螺钉二固定在X向驱动块上，Z向压电叠堆三安装在Z向挡块之上，通过下部预紧螺钉三与载物台顶接；X向位移传感器与X向压电叠堆一方向一致，安装在X向压电叠堆一一侧通孔内，由紧固螺钉三固定；Y向位移传感器与Y向压电叠堆二方向一致，安装在Y向压电叠堆二一侧通孔内，由紧固螺钉四固定；Z向位移传感器与Z向压电叠堆三方向一致，安装在Z向挡块之上，在Z向压电叠堆三一侧，由紧固螺钉五固定。

4.根据权利要求3所述的一种运动工件飞秒激光加工中椭圆运动曝光的***，其特征在于：所述具有铰链结构的工作台由载物台、X向驱动块、Y向驱动块、固定端一、固定端二通过它们之间的柔性铰链连接而成，所述载物台通过柔性铰链一、柔性铰链二、柔性铰链三、柔性铰链四与X向驱动块相接，X向驱动块由复合铰链一、复合铰链二、复合铰链三、复合铰链四与Y向驱动块相连接，复合铰链一与复合铰链二相对于主体Y向中心位置为对称结构，复合铰链三与复合铰链四相对于主体Y向中心位置为对称结构；复合铰链一与复合铰链二、复合铰链三与复合铰链四对称分布在X向驱动块两端，与Y向驱动块相连接，复合铰链五与复合铰链六相对于主体X向中心位置为对称结构，复合铰链七与复合铰链八相对于主体X向中心位置为对称结构，复合铰链五与复合铰链六、复合铰链七与复合铰链八对称分布在Y向驱动块两端，两侧分别与固定端一、固定端二相连接。

5.根据权利要求4所述的一种运动工件飞秒激光加工中椭圆运动曝光的***，其特征在于：所述复合铰链一、复合铰链二、复合铰链三或复合铰链四分别由四个直梁型铰链首尾相连组成。