CN108838515A - 一种准分子激光加工锥形微孔的方法及装置 - Google Patents

一种准分子激光加工锥形微孔的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种准分子激光加工锥形微孔的方法及装置，该装置包括指示光(1)、准分子激光器(2)、掩模调换台(3)、掩模(4)、反射镜(5)、聚焦投影物镜(6)、样品放置台(7)、三维电控位移台(8)、电机驱动器(9)和计算机(10)。本发明通过在加工过程中改变掩模的大小来增大微孔的锥度，彻底改变目前精细锥形孔锥度小且难以控制等缺点，明显改善微孔锥度的目的；采用准分子激光器等气体激光器作为激光光源来加工锥形孔，由于气体光子能量较大，大于材料之间的化学键能，可以直接打断材料的化学键实现冷加工，获得较好的加工表面质量，同时具有加工精度高、可靠性高，材料对光的吸收率高以及无热影响区等优点。

Description

一种准分子激光加工锥形微孔的方法及装置
技术领域
本发明属于激光微加工技术领域，特别是涉及一种用于加工锥形微孔的准分子激光加工方法及装置。
背景技术
随着现代科学、先进制造技术、生物医学等高科技领域的飞速发展，对精密微器件的需求日益迫切。传统的加工方法已经不能满足人们的需求，激光加工是一种比较热门的加工方法，在微细加工领域，激光加工还具备其他任何技术都无法比拟的技术优势，它区别于传统的材料加工，它是一个多光子吸收的过程，非线性作用过程占主导地位，且加工精度高。纳秒脉冲准分子激光器目前的发展比较成熟，具有波长短、单光子能量高、单脉冲输出能量高、激光脉冲输出稳定等优势，已成为激光微加工领域的主要工业型激光器，尤其是248nm KrF准分子激光束对于制造聚合物材料是很有优势的。准分子激光加工具有容易应对加工物体设计变化、可以进行微细加工、加工精度高的优点。
激光微加工是用于医疗设备制造的理想技术，通过选择适当的波长和脉冲宽度，同时激光加工工艺本质上是非接触式的，这使得它可以用于医疗设备制造所需的无尘和无菌环境，这种方法用于加工可以在相对短的周期时间多次注入的聚合物模具。本发明用于准分子激光在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)加工锥形微孔，作为微针模具进行倒模，得到可生物降解聚合物微针，用于医学治疗的低侵入性针头进行皮下给药。
现有的激光加工锥形微孔的方法，得到的锥形孔锥度小，底端孔径大，倒模后得到的微针尖端达不到医学应用的要求。如何增大微孔的锥度，同时使倒模后容易脱模，得到理想的微针已成为一个急需要解决的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种准分子激光加工锥形微孔的方法及装置，其采用双掩模进行激光微加工锥形孔。
本发明所采用的技术方案是：
一种准分子激光加工锥形微孔的装置，该装置包括：指示光(1)、准分子激光器(2)、掩模调换台(3)、掩模(4)、反射镜(5)、聚焦投影物镜(6)、样品放置台(7)、三维电控位移台(8)、电机驱动器(9)和计算机(10)。计算机(10)中装有***控制程序，样品放置台(7)放置在三维电控位移台(8)上后组成加工台，反射镜(5)沿45°方向斜向布置，反射镜(5)的中心与聚焦投影物镜(6)的中轴线重合，样品通过夹具固定在样品放置台(7)上，计算机(10)分别和准分子激光器(2)、电机驱动器(9)以及三维电控位移台(8)连接，通过计算机(10)控制三维电控位移台(8)进行实现样品的上下左右移动；指示光(1)、准分子激光器(2)、掩模调换台(3)、反射镜(5)、聚焦投影物镜(6)依次沿光路传输方向进行连接，掩模调换台(3)的入射光处有掩模(4)，掩模调换台(3)的出射光通过45°方向斜向布置的反射镜(5)反射变成与原光路呈90o角竖直向下的光路，再通过聚焦投影物镜(6)到三维电控位移台(8)及样品放置台(7)上的样品上。
所述指示光(1)为HeNe指示光，准分子激光器(2)为248nm KrF准分子激光器，反射镜(5)为248nm波段高反射率反射镜。
利用所述装置实现的准分子激光加工锥形微孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)校准准分子激光加工装置的光路，使准分子激光器的指示光与准分子的紫外激光同轴重合，准分子激光器发出的激光束能够垂直穿过掩模中心的孔以及通过反射镜中心改变光路，将激光束偏转90o，偏转后的激光束传播方向竖直向下，经过聚焦投影物镜到达样品表面上；
(2)将掩模贴在掩模调换台的入射光处，掩模调至光斑中心位置，使激光束能够覆盖整个掩模孔，固定好掩模及掩模调换台；
(3)将样品放置在样品放置台上并固定，通过计算机控制左右移动三维电控位移台改变样品与光斑的相对位置，使之照射在将要加工的位置；通过计算机控制上下移动三维电控位移台改变样品与光斑的相对位置，使样品的上表面正好位于掩膜投影的像面上，这样得到的样品上表面是掩模孔的形状；
(4)通过变换不同参数进行加工后观察孔的形状，最后选择合适的加工工艺参数即激光能量，激光脉冲频率，脉冲个数，掩模孔尺寸等工艺参数；
(5)打开激光器，按照选好的工艺参数加工样品。
本发明中的计算机对该加工***的控制程序包括以下功能：准分子激光器的触发控制，三维电控位移台的驱动电机控制。
本发明所述的样品在样品载物台上放置方式见图2，当正离焦时，材料内部的能量密度比表面低，会使孔的锥度更大一些。
本发明具有以下有益效果：
本发明充分利用双掩模加工的优点，通过在加工过程中改变掩模的大小来增大微孔的锥度，彻底改变目前精细锥形孔锥度小且难以控制等缺点，明显改善微孔锥度的目的；
本发明采用准分子激光器等气体激光器作为激光光源来加工锥形孔，由于气体光子能量较大，大于材料之间的化学键能，可以直接打断材料的化学键实现冷加工，获得较好的加工表面质量，同时具有加工精度高、可靠性高，材料对光的吸收率高以及无热影响区等优点。
附图说明
图1是本发明准分子激光加工锥形微孔的加工装置示意图；
图2是样品在样品载物台上放置方式的示意图。
图3是两个大小不同的掩模及掩模孔示意图。
图4为单掩模加工锥形微孔结果图。
图5为双掩模加工锥形微孔结果图。
图中：1-指示光、2-准分子激光器、3-掩模调换台、4-掩模、5-反射镜、6-聚焦投影物镜、7-样品放置台、8-三维电控位移台、9-电机驱动器、10-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提出的方法和装置的技术细节做进一步详细说明：
参照图1，本发明提出的一种准分子激光加工锥形微孔的加工装置包括：计算机及控制软件、指示光、准分子激光器、掩膜及掩膜调换台、248nm波段高反射率反射镜，聚焦投影物镜、样品放置台、三维电控位移台及电机驱动器。
本发明可以在有机玻璃PMMA薄板上进行准分子激光加工较好锥度的锥形微孔。
准分子激光在有机玻璃PMMA上加工锥形孔的具体步骤包括：
(1)校准准分子激光加工***的光路结构，通过激光打在感光纸上的光斑位置和指示光照在纸上的相对位置，来判断指示光与激光光束是否同轴重合，同时使光束能够垂直穿过掩膜孔以及穿过反射镜的中心和聚焦投影物镜中轴；
(2)将掩膜贴在掩膜调换台的入射光处，掩膜调至光斑中心位置，使激光器发出的光束光斑能够覆盖整个掩膜孔，固定好掩膜及掩膜调换台；
(3)将PMMA薄板放在样品放置台上并固定，通过计算机上的程序来控制激光与材料的相对位置，使其要加工位置的上表面正好位于投影***的像面处；
(4)先将孔径为2mm的掩模固定在掩模调换台上，打开激光，按照设定好的激光参数打100个脉冲；
(5)在同一位置样品不动，将掩模换为1mm孔径，同样固定在掩模调换台上，以与上述相同的激光参数打200个脉冲；
(5)通过计算机控制位移台进行样品的移动，并使其上表面始终位于投影***的像平面，保证上表面的形状始终是圆形。继续以相同的方法打下一个孔，直至锥形微孔点阵模板加工完成。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明，应当指出，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，也应视为本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种准分子激光加工锥形微孔的装置，其特征在于：该装置包括指示光(1)、准分子激光器(2)、掩模调换台(3)、掩模(4)、反射镜(5)、聚焦投影物镜(6)、样品放置台(7)、三维电控位移台(8)、电机驱动器(9)和计算机(10)；计算机(10)中装有***控制程序，样品放置台(7)放置在三维电控位移台(8)上后组成加工台，反射镜(5)沿45°方向斜向布置，反射镜(5)的中心与聚焦投影物镜(6)的中轴线重合，样品通过夹具固定在样品放置台(7)上，计算机(10)分别和准分子激光器(2)、电机驱动器(9)以及三维电控位移台(8)连接，通过计算机(10)控制三维电控位移台(8)进行实现样品的上下左右移动；指示光(1)、准分子激光器(2)、掩模调换台(3)、反射镜(5)、聚焦投影物镜(6)依次沿光路传输方向进行连接，掩模调换台(3)的入射光处有掩模(4)，掩模调换台(3)的出射光通过45°方向斜向布置的反射镜(5)反射变成与原光路呈90°角竖直向下的光路，再通过聚焦投影物镜(6)到三维电控位移台(8)及样品放置台(7)上的样品上。
2.根据权利要求1所述的一种准分子激光加工锥形微孔的装置，其特征在于：所述指示光(1)为HeNe指示光，准分子激光器(2)为248nm KrF准分子激光器，反射镜(5)为248nm波段高反射率反射镜。
3.根据权利要求1所述的一种准分子激光加工锥形微孔的装置，其特征在于：计算机对该加工***的控制程序包括以下功能：准分子激光器的触发控制，三维电控位移台的驱动电机控制。
4.利用所述装置实现的准分子激光加工锥形微孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)校准准分子激光加工装置的光路，使准分子激光器的指示光与准分子的紫外激光同轴重合，准分子激光器发出的激光束能够垂直穿过掩模中心的孔以及通过反射镜中心改变光路，将激光束偏转90°，偏转后的激光束传播方向竖直向下，经过聚焦投影物镜到达样品表面上；
(2)将掩模贴在掩模调换台的入射光处，掩模调至光斑中心位置，使激光束能够覆盖整个掩模孔，固定好掩模及掩模调换台；
(3)将样品放置在样品放置台上并固定，通过计算机控制左右移动三维电控位移台改变样品与光斑的相对位置，使之照射在将要加工的位置；通过计算机控制上下移动三维电控位移台改变样品与光斑的相对位置，使样品的上表面正好位于掩膜投影的像面上，这样得到的样品上表面是掩模孔的形状；
(4)通过变换不同参数进行加工后观察孔的形状，最后选择合适的加工工艺参数即激光能量，激光脉冲频率，脉冲个数，掩模孔尺寸工艺参数；
(5)打开准分子激光器，按照选好的工艺参数加工样品。
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