运动工件飞秒激光加工中椭圆运动曝光方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于飞秒激光加工技术领域，特别是设及一种运动工件飞秒激光加工中楠 圆运动曝光方法及系统。
【背景技术】
[0002] 飞秒激光加工技术主要设及利用飞秒激光束进行工件表面烧蚀、体内爆炸、折射 率改变、两光子聚合等加工工艺，不仅可用于制备=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=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=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。
[0003] 现有的扫描或进给实施，主要设及两种基本类型：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设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（Pi吨Ointexposure)，运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，运限制了加工效率的提高。
【发明内容】
[0004] 本发提供一种运动工件飞秒激光加工中楠圆运动曝光方法及系统，W解决装载飞 秒激光束或工件的运动台由于运动惯性难W急停的问题，W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W提高的问题，从而更好地满足=维纳微结构 高效加工的要求。 阳〇化]本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：
[0006] (1)将待加工件装夹在一个楠圆运动工作台上，楠圆运动工作台安装在可沿X和 Y向进给的运动台之上，在楠圆运动工作台的驱动下，待加工件W平动方式相对于运动台 作二维楠圆运动或=维楠圆运动，安装楠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W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、光快口、扩束镜、反射镜 一、光阔、反射镜二、反射镜=、分束镜、聚焦物镜后，沿Z轴方向作用于待加工件，激光束的 通断通过光快口进行控制；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；
[0007] 似所述的楠圆运动工作台，分别采用S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，W使载物台分 别在垂直平面XOZ和YOZ上形成二维的楠圆运动轨迹，在水平面XOY上形成往复的直线运 动轨迹；=个压电致动元件的输入信号为： w、.(〇= F'.cos(2;r^ + (久） 阳00引(7) = (2兄斧牛喪) (1) u:{t)二V:CQ&[1打ft +和)
[0009] 式中，Vx、Vy、Vz分别为X、Y、Z向S个压电致动元件驱动信号Ux(t)、Uy(t)、Uz(t)的 幅值；堯、终、给为分别为X、Y、Z向驱动信号的初相位；f为驱动信号的频率。在S维楠 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：
[0010] Xp = 0、cos(27T.拜+ A') -馬= 0.，.cos(27r/f+A') (2> Sp二幻二cos(2开/f+ 於）
[0011]式中，a,、a,和a ,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；皆^皆y和IV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；维楠圆运动 工作台的运动频率；
[0012] 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上分别形成楠圆轨迹，相邻运动之间相位差必须满足：
[0013] AA-=乂-铅=%丹 -么餐巧=转:一馬芦巧2评 口） Av?:、. =V?: _A' = + 巧开古巧3开 阳014] 式中，叫吨為皆为整数。么9?*为與y和铃的相位差，,为與g和梦y的相位差， A俗.为托和V?,.的相位差。特别是当满足：
[0015] AA:v="1 开 -A妈,二口打2+1)7t/2 (4) 二A特9,+ATT
[0016] 时，待加工件中预期曝光位置P将在坐标平面XOZ和YOZ上分别形成标准的楠圆 轨迹，即两个楠圆的长轴都将分别平行于坐标轴OX和OY;
[0017] (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： V化二-Vfv - 阳01引j (5) = -V没
[0019] 式中，Vpy和VPY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VP在 X和Y方向的分量；Vfx和Vfy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Vp与运 动台12的合成进给速度Vf大小相等、方向相反；
[0020] 由式似可得到，工件中预期曝光位置P的；个速度分量如下：
[0021] V辟二-2兄幻'y/sin(27r/f + V?、') .V/". = -2兀幻,/'sin(2兀.於 +A)c〇s(巧开) (食) v'p-_ = -2兀幻二/8山口兀弁 +A' +A供,,）cos("i兀） 阳02引由式（6)可得到在楠圆下顶点处的水平速度Vp在X、Y方向分量的绝对值分别为： V 二扣。、'/ /、 阳似] 优 V"，二 2 开。',/
[0024] 因此可通过改变S维楠圆运动工作台的振幅^和ayW及S维楠圆运动工作台的 运动频率fW调节Vpx和Vpy，从而匹配工作台在X和Y方向上的的进给速度Vfx和Vfy;
[00巧]此时，快口通断一次，完成一次曝光；
[00%] (4)为实现激光束对工件的连续加工，每次楠圆运动轨迹到达下顶点时，须完成曝 光一次，即光快口的通断频率fg应该等于工件作楠圆运动的频率f，W使飞秒激光束的通断 与工件的楠圆运动同步，亦即飞秒激光束仅在工件作楠圆运动下顶点W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方向的相距距离屯、dy为：
[0027]
(8) 阳02引 由式巧）、式（7)、式做联立可得：
[0029]
(9)
[0030] S维楠圆运动工作台在X、Y方向的振幅ax、a,由相邻周期曝光位置在X、Y方向的 距离dx、dy决定。当S维楠圆运动工作台在X、Y方向的振幅ax、ay确定之后，由