一种硬光路光束柔性传输定位方法及装置与流程

本发明属于先进激光制造领域，涉及一种硬光路光束柔性传输定位方法及装置。用于对大幅面复杂图案进行激光制造。

背景技术：

20世纪60年代出现一种新型光源，具有单色性好、方向性好、相干性好、能量集中等特点。飞秒光脉冲是指持续时间为10^-12s-10^-15s的激光脉冲，这种激光脉冲具有极高的峰值功率，很宽的光谱宽度和极短的激光发射时间的特点。飞秒激光以其独特的超短持续时间和超强峰值功率开创了材料超精细、低损伤和空间三维加工处理的新领域，而且应用越来越广。根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合, 使人们可以研究半导体的纳米结构(量子线、量子点和纳米晶体)中的载流子动力学。在生物学方面,人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/ 探测技术, 研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存贮方面。

第一台利用啁啾脉冲放大技术实现的台式太瓦激光的成功运转始于1988年，这一成果标志着在实验室内飞秒超强及超高强光物理研究的开始。在这一领域研究中，由于超短激光场的作用已相当于或者大大超过原子中电子所受到的束缚场，微扰论已不能成立，新的理论处理有待于发展。在1020W/cm2的光强下，可以实现模拟天体物理现象的研究。1019-1021W/ cm2的超高强激光产生的热电子（200KeV）。飞秒激光的另一个重要的应用就是微精细加工。通常，按激光脉冲标准来说，持续时间大于10皮秒（相当于热传导时间）的激光脉冲属于长脉冲，用它来加工材料，由于热效应使周围材料发生变化，从而影响加工精度。而脉冲宽度只有几千万亿分之一秒的飞秒激光脉冲则拥有独特的材料加工特性，如加工孔径的熔融区很小或者没有；可以实现多种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至生物组织等的微机械加工、雕刻；加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等等。一些汽车制造厂和重型设备加工厂目前正研究用飞秒激光加工更好的发动机喷油嘴。使用超短脉冲激光，可在金属上打出几百纳米宽的小孔。在最近于奥兰多举行的美国光学学会会议上，IBM公司的海特说，IBM已将一种飞秒激光系统用于大规模集成电路芯片的光刻工艺中。用飞秒激光进行切割，几乎没有热传递。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员发现，这种激光束能安全地切割高爆炸药。该实验室的洛斯克说：“飞秒激光有希望作为一种冷处理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮弹及其他武器。”

飞秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。生物医学专家已将它作为超精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留下手术后遗症，甚至可对单个细胞动精密手术或者用于基因疗法。目前人们还在研究如何将飞秒激光用于牙科治疗。有科学家发现，利用超短脉冲激光能去掉牙的一小块，而不影响周围的物质。美国Clark-MXR公司最近推出的UMW系列超快激光微加工工作台正是代表了这个领域里最前沿的商用飞秒激光微加工系统，它包括了用超短脉冲激光进行微加工所需的一切设备与配件，可用于微加工任何材料，生成亚微米精细结构，而不会对周边材料造成损害，不会造成材料飞溅，加工结果极其精确并具有高度可重复性。

飞秒脉冲的直接用途就是时间分辨光谱学。用飞秒脉冲来观测物理，化学和生物等超快过程，飞秒脉冲可作共焦显微镜的光源，来作生物样品的三维图象。用飞秒脉冲作光源的光学相干断层扫描(optical coherence tomography,简称OCT)可观察活体细胞的三维图象，此时并不是利用飞秒脉冲的时间特性，而是利用飞秒光源的宽谱线，来产生类似白光的干涉，利用飞秒脉冲在半导体中激发的声子的反射可用来实时测量半导体薄膜的厚度，以监测半导体薄膜的生长，用飞秒脉冲来作微型加工，打出的孔光滑而没有毛刺，因为飞秒脉冲不是靠热效应先熔化再蒸发，而是靠强场直接蒸发材料，飞秒脉冲用作光通信的光源，可把现有的通信速度提高几百倍，高能量的飞秒脉冲激光与等离子体相互作用可产生高次谐波及X－射线，并有可能用于受控核聚变，人们还尝试用飞秒脉冲产生的兆兆赫兹辐射，来检测集成电路的包装质量，甚至肉类制品的脂肪含量。总之，飞秒脉冲的应用很多。

随着飞秒脉冲激光器的进一步发展和完善，一定能开辟出更多的应用前景。值得注意的是，每当研究发展到一定阶段，各国的研究人员中就有一批人从研究小组分离出来，把研究成果转化为产品，当然原有的激光器公司也注意吸收新的研究成果。

在国家科技战略方面，美国的做法是支持几个重点大学和国家实验室，例如密西根大学的超快光学中心，加州大学圣迭哥分校的强场物理实验室，劳仑斯-利物莫实验室等。日本则是以通产省大型“产(产业)官(官厅，即国家实验室)学(大学)”研究项目的形式，于1996年开始了所谓“飞秒技术计划”，集中了日本几乎所有的知名大公司，国家实验室和大学，还拉上了美国的贝尔实验室，开展飞秒脉冲技术的研究，目标是在兆兆比特高速通信技术方面独占鳌头。

在飞秒激光制造领域，光束传输定位对制造精度及质量其重要，国内西安光机所采用了空间光束柔性传输技术，开发了大幅面复杂图案的激光制造技术与装备，但制造效率和稳定性不足；西安交大开发了金属表面微细织构的超快激光加工装备，但高效和实用性有待提升；大连理工采用激光、微削复合加工技术，只能实现小尺寸构件的表面图案制造；510 所主导国内航天器固面天线反射器激光制造，但目前只能依赖俄罗斯激光制造装备（价格昂贵，近1000 万）和西安光机所工程样机，且加工幅面、稳定性、效率达不到要求；针对发动机涡轮部件标印的技术与装备，国内完全空白。

技术实现要素：

大型构件表面的传统制造，依赖五轴平台实现构件运动，存在机构干涉、空间占用大、精度/效率低等问题，本发明发展光束高速柔性传输定位技术，减少机械结构、防止机构干涉且提高制造效率，同时开发光束精准指向技术。光束空间高速柔性传输定位及精准指向技术，解决大型构件表面激光制造装备的空间占用大、精度/效率低等问题，涉及一种硬光路光束柔性传输定位方法及装置，该方法及装置光束垂直摆角：-100°~+100°，光束水平摆角：0~360°；水平回转中心轴与垂直回转中心轴正交角度偏差：≤5″，重复定位精度≤2μrad；最大光束传输扫描速度1m/s。

方法主要包括：规划光束空间扫描路径，进行光束空间扫描，根据扫描结果，由传输定位运动平台控制构件在空间中运动，对光斑位置进行准确定位；将激光扫描速度和激光脉冲关联，扫描速度越快，激光脉冲个数越多，通过控制扫描速度和激光脉冲个数对大幅面复杂图案精细制造；通过空间四自由度旋转臂对光束进行控制，由水平及垂直旋转轴的运动完成控制过程，在控制过程中保持水平与垂直旋转轴的同步，通过CMOS相机监控光束角度偏差，角度偏差经过反射镜，由光束位置检测器检测光束偏转角度；根据偏转角度对水平及垂直旋转轴进行微调。水平及垂直旋转轴上安装由可调反射镜，可调反射镜包括驱动反射镜片沿水平轴转动的第一驱动机构，以及驱动所述反射镜片沿垂直轴转动的第二驱动机构。第一驱动机构包括用于微调的压电陶瓷电机，用于粗调的伺服电机。所述传输定位运动平台控制构件沿XYZ轴移动，通过在XYZ轴方向上的移动实现构件相对于光束平移；所述光束由空间四自由度旋转臂驱动在水平与垂直方向上旋转，通过在水平与垂直方向上的旋转，实现构件相对于光束的旋转运动。

装置主要包括光束角度偏差检测系统，光束传输系统，信号控制系统，旋转轴系统；其中，其中旋转轴系统包括可调反射镜。还包括三个分立系统：光束四自由度空间高速扫描传输技术系统，空间旋转同步精度控制系统及光束指向检测与校正系统。光束四自由度空间高速扫描传输技术系统研究激光扫描速度与激光脉冲的关联关系，实现复杂图案精细制造；空间旋转同步精度控制系统使得光束空间四自由度传输，依靠水平和垂直旋转轴的高速运动及同步控制来实现，若同步精度低，将引起光束指向的角度偏差，经光学反射组件放大后会造成很大的加工位置偏离，故需研究水平、垂直旋转轴的同步精度控制技术。光束指向检测与校正系统用于对光束指向性进行调节，激光束在传输过程中，会存在一定的系统偏差，显著影响激光制造精度。因此，基于高速高精扫描振镜加工头，研究光束指向实时检测与校正技术，修定光束扫描的动态误差，同时补偿光束空间传输与定位系统的精度误差。

为实现激光硬光路中的光束空间柔性传输，保证光束精准指向，首先通过光束路径规划、光束传输定位全闭环控制技术的研究，解决基于光束水平旋转与垂直旋转耦合实现光束空间指向的扫描定位及同步控制技术；其次通过减重设计、精密装调设计、防撞干涉机构设计、系统标定与补偿、温度补偿等技术研究，攻克悬臂补偿、光束水平轴与垂直轴垂直度的精密检测装调制造技术；最后，基于高速扫描振镜加工头，融合加工位置准确控制设计、加工位置的共轭设计及系统标定，研发光束指向检测与校正系统。通过对光束空间传输、高速扫描加工头及光束指向检测与校正的全闭环控制，实现光束的空间高速柔性传输定位及精准指向。传输定位运动平台控制构件沿XYZ轴移动，通过在XYZ轴方向上的移动实现构件相对于光束平移；所述光束由空间四自由度旋转臂驱动在水平与垂直方向上旋转，通过在水平与垂直方向上的旋转，实现构件相对于光束的旋转运动。

附图说明

图1硬光路光束柔性传输定位方法组成部分示意图。

图2光束空间柔性传输定位与精准指向系统步骤图。

具体实施方式

硬光路光束柔性传输定位方法，采用空间光束柔性传输技术，对大幅面复杂图案进行激光制造，主要包括：规划光束空间扫描路径，进行光束空间扫描，根据扫描结果，由传输定位运动平台控制构件在空间中运动，对光斑位置进行准确定位；将激光扫描速度和激光脉冲关联，扫描速度越快，激光脉冲个数越多，通过控制扫描速度和激光脉冲个数对大幅面复杂图案精细制造；通过空间四自由度旋转臂对光束进行控制，由水平及垂直旋转轴的运动完成控制过程，在控制过程中保持水平与垂直旋转轴的同步，通过CMOS相机监控光束角度偏差，角度偏差经过反射镜，由光束位置检测器检测光束偏转角度；根据偏转角度对水平及垂直旋转轴进行微调。所述传输定位运动平台控制构件沿XYZ轴移动，通过在XYZ轴方向上的移动实现构件相对于光束平移；所述光束由空间四自由度旋转臂驱动在水平与垂直方向上旋转，通过在水平与垂直方向上的旋转，实现构件相对于光束的旋转运动。水平及垂直旋转轴上安装由可调反射镜，可调反射镜包括驱动反射镜片沿水平轴转动的第一驱动机构，以及驱动所述反射镜片沿垂直轴转动的第二驱动机构。第一驱动机构包括用于微调的压电陶瓷电机，用于粗调的伺服电机，其中，光束垂直摆角为-100°至+100°，光束水平摆角为0°至360°，水平回转中心轴与垂直回转中心轴正交角度偏差不大于5″，重复定位精度不大于2μrad。

使用硬光路光束柔性传输定位方法的传输定位装置，包括光束角度偏差检测系统，光束传输系统，信号控制系统，旋转轴系统；其中，其中旋转轴系统包括可调反射镜。

可调反射镜用于将沿Z轴方向传播的激光光束反射至沿A轴传播，为方便调节激光光束的反射方向，采用三点正交方式实现激光反射镜组的二维小角度调节，调节所用的微调螺杆采用0.25mm的精密细牙螺纹，通过使用内六角扳手能够满足调节所需的角分辨率。采用碟形弹簧将激光反射镜组压紧到摆轴连接基座，碟形弹簧刚性较好，并且能通过锁紧螺钉调节压紧力，微调螺杆调整到位后能够较好的保持激光反射镜组的角度，有利于运输等振动环境中的位置角度稳定性，其中X轴驱动工作台做纵向移动，Y轴在龙门横梁上驱动激光器及光路传输系统做横向运动，Z轴在Y轴滑板上做横向运动，C轴和A轴安装在Z轴下端做垂直方向运动。除可调反射镜外，旋转轴系统还可选择固定反射镜。

固定反射镜结构设计依据：根据光学设计技术要求，反射镜需沿X、Y水平面内二维微调节。固定反射镜结构设计方案：底座上设计腰型孔可沿X轴调节；连接板两端设计调节固定块，由顶丝沿Y轴微调节。固定反射镜结构是较为成熟的结构设计，经过多台系统测试。整体结构设计满足光学设计提出的要求，能满足设计需求。

光束光路由光路切换机构进行切换电路。光路切换结构设计依据：根据光学设计技术要求，分光反射镜组需在两个位置起到切换光路的作用。光路切换结构设计方案：分光反射镜组由气缸带动进行点对点的位置切换；底板上螺纹光孔与大理石上螺纹孔由间隙，可进行绕Z轴的微调，定位块上的缓冲器可进行沿入射光方向的微调。整体采用点对点定位结构，导向靠直线导轨导向，定位块为固定结构，缓冲器压缩到底也可看作是固定结构，由于反射镜运动方向是沿镜面反向，故气缸推动方向对反射角度无影响，直线导轨采用上银MGNR9R60PM，此导轨为精密级导轨，滑块与导轨间的间隙经过预压后为2μm。

对棱镜在Z轴方向上的旋转微调通过波片调节机构，波片调节结构设计依据：根据光学设计技术要求，棱镜需沿Z向旋转微调，波片可旋转。波片调节结构设计依据：棱镜连接件上光孔与大理石安装板上的螺纹有间隙，可沿Z轴微旋转调节。波片固定在波片旋转框上，旋转到合适位置，用紧固螺钉固定位置。

由于旋转臂需要旋转运动，因此，将电路线在旋转臂A轴及C轴中进行排布，在A轴及C轴前金属软管布线方式为振镜线、CCD线、测距线沿顺时针方向环绕软管圆心。

对于本领域技术人员，上述实施例仅为本发明的优选实施例，不能理解为对本发明的专利范围的限制，在不脱离本发明的构思的前提下，做出的若干改进、替代都属于本发明的保护范围。