[发明专利]一种激光微结构高效加工及精密测量的方法和装置

权利要求书

1.一种激光微结构高效加工及精密测量的方法，其特征在于：通过一对标准激光干涉仪镜组模块对称分布放置在Z向气浮运动轴模块中心的两侧，一方面能够有效避免运动传感器的阿贝误差；另一方面，成对出现的标准激光干涉仪镜组模块将会对Z向运动的微小位移进行放大，有效的减小位移误差，提高Z向加工和监测的精度；

同时采用稳定性好的龙门结构，并利用运动控制模块和标准激光干涉仪及其镜组模块，通过对载物台上的高精度L形标准平晶的反射光探测计算后由上位机进行运动控制和误差补偿，实现对X/Y向气浮运动轴模块的运动姿态的精确调整和定位，实现X/Y平面内的高精度微位移移动；同时利用抗表面倾角变化和抗散射变化的激光差动共焦定焦模块进行Z向位置探测，实现微尺度器件的高精度加工和测量；

所述的一种激光微结构高效加工及精密测量的方法，包括以下步骤，

步骤一：具有正交特性偏振态的激光干涉仪激光头通过分光棱镜和Y向反射镜组和Z向反射镜组分成多束光分别入射到X向标准激光干涉仪镜组模块、Y向标准激光干涉仪镜组模块和Z向标准激光干涉仪镜组模块；X向标准激光干涉仪镜组模块、Y向标准激光干涉仪镜组模块通过对入射光调制后入射到L形标准平晶上发生反射并被X/Y向标准激光干涉仪镜组模块再次接收并反馈给标准激光干涉仪；当X向气浮运动轴模块和Y向气浮运动轴模块发生位移时，通过对高精度L形标准平晶的反射光探测计算后，由上位机进行运动控制和误差补偿，对X/Y向气浮运动轴模块的运动姿态的精确调整和定位；实现在XY平面内的精密微位移控制；

其中，位于基台上两侧的X向气浮运动轴模块必须保持平行放置，Y向气浮运动轴模块必须和X向气浮运动轴模块保持正交；上位机通过运动控制驱动系统实现X/Y向气浮运动轴模块的精密运动控制；

用于监测X/Y向气浮运动轴模块的标准激光干涉仪模块，在分束后的激光干涉仪入射光通过偏振分光棱镜后，与入射面平行的P偏振态光将继续传播到达角锥棱镜实现光传播方向反向，最后再通过偏振分光棱镜被探测器探测，作为标准激光干涉仪模块计算的参考光；而与入射面垂直的S偏振态光在偏振分光棱镜发生反射，在通过上侧1/4波片到达反射镜后再次通过上侧1/4波片后向下传播，此时，入射面垂直的S偏振态光变成P偏振态光，再次通过偏振分光棱镜将完全透射并向下方传播；P偏振态光经下侧1/4波片并到达L形标准平晶发生反射并再次通过下侧1/4波片后向上传播，此时，入射面平行的P偏振态光变成S偏振态光；经过偏振分光棱镜并被反射到角锥棱镜改变传播方向，被反向的S偏振态光再次传播到偏振分光棱镜并发生反射；S偏振态光通过下侧1/4波片到达L形标准平晶发生反射后再次通过下侧1/4波片后向上传播，此时，S偏振态光变成P偏振态光，再次到达偏振分光棱镜后将完全透射并向上方传播；P偏振态光在经过上侧的1/4波片和反射镜反射后再次通过上侧的1/4波片后向下传播，此时，P偏振态光变成S偏振态光；并在偏振分光棱镜发生反射并最终被探测器探测，作为标准激光干涉仪模块计算的测量光；以上过程将会对微小位移实现精密测量；通过标准激光干涉仪模块监测标定X/Y向气浮运动轴模块的运动误差，并将结果写入上位机补偿，实现X/Y向精密运动；

步骤二：到达Z向的标准激光干涉仪入射光将通过2个沿着Z向气浮运动轴模块对称分布的Z向标准激光干涉仪镜组模块发生调制后入射到搭载在Z向气浮运动轴模块上的Z向反射镜组发生反射并被Z向标准激光干涉仪镜组模块再次接收并反馈给标准激光干涉仪；监测Z向气浮运动轴模块位移的整体光线行进轨迹过程为步骤一中单个标准激光干涉仪镜组模块的光程重复两次；当Z向气浮运动轴模块发生位移时，通过上位机控制实现实时运动姿态的测量调整和补偿；

其中，沿着Z向气浮运动轴模块对称分布的Z向标准激光干涉仪镜组模块，在和Z向气浮运动轴模块同步移动过程当中，一方面，沿着Z向气浮运动轴模块对称分布的Z向标准激光干涉仪镜组模块，有效避免运动传感器的阿贝误差，此外，相比于单个标准激光干涉仪镜组模块，因为对Z向位移进行了放大，因此微小的误差得到放大，通过将误差采集写入上位机运动控制模块，能够进一步对Z向误差进行补偿处理；实现Z向气浮运动轴模块的精密运动控制；

步骤三：通过上位机控制激光器模块，实现激光的不同参数的调制；激光通过物镜聚焦到达样品表面，实现微结构的加工；

步骤四：使用抗表面倾角变化和抗散射变化的激光差动共焦定焦模块用来实现对加工器件的Z向进行监测，实现器件在加工的同时的原位几何参数测量；实现Z向精密运动；

步骤五：重复步骤一到四，利用上位机多线程对标准激光干涉仪及其镜组模块、运动控制模块和抗表面倾角变化和抗散射变化的激光差动共焦定焦模块以及激光器模块实时控制调整，实现对三维激光微结构单点的高精密加工同时实现微结构几何参数的原位测量；

步骤六：重复步骤一至五，在载物台上的三维激光微结构样品从点A开始扫描加工和监测，按照预设加工轨迹实现对三维激光微结构样品的高精密加工和原位参数测量。

2.一种激光微结构高效加工及精密测量装置，用于实现如权利要求1所述一种激光微结构高效加工及精密测量的方法，其特征在于：包括具有正交特性偏振态的激光干涉仪激光头、固定基台、龙门支撑架、X向气浮运动轴模块、Y向标准激光干涉仪镜组模块、Y向反射镜组、分光棱镜、X向标准激光干涉仪镜组模块、Z向反射镜组、激光差动共焦定焦模块、加工激光源、Z向2个标准激光干涉仪镜组模块及Z向反射镜组、Z向固定反射镜组的固定座、Z向气浮运动轴模块、物镜、L形标准平晶、载物台、Y向气浮运动轴模块、上位机；

X向标准激光干涉仪镜组/Y向标准激光干涉仪镜组模块，包括具有正交特性偏振态的激光干涉仪激光源、反射镜、1/4波片、角锥棱镜、L形标准平晶、偏振分光棱镜；

Z向标准激光干涉仪镜组模块包括具有正交特性偏振态的激光干涉仪激光源、反射镜组、Z向反射镜组、1/4波片、角锥棱镜、Z向固定反射镜组的固定座、偏振分光棱镜；

其中，固定基台起到支撑整个装置的作用，X向气浮运动轴模块安装在基台上，Y向气浮运动轴模块安装在X向气浮运动轴模块上，其中，两侧的X向气浮运动轴模块必须保持平行放置，Y向气浮运动轴模块必须和X向气浮运动轴模块保持垂直，且X向的运动将带动Y向运动；Z向气浮运动轴模块、Z向反射镜组以及激光差动共焦和定焦模块固定在龙门支撑架，反射镜组、分光棱镜和两组激光干涉仪标准镜组模块通过固定件安装在基台上，Z向2个标准激光干涉仪镜组模块固定在龙门架上，Z向激光干涉仪反射镜组和物镜安装在Z向气浮运动轴模块，L形标准平晶和载物台固定在Y向气浮运动轴模块上；

上位机通过运动控制器模块实现X/Y/Z向气浮运动轴模块发生位移，安装在Y向气浮导轨运动模块上的L形标准平晶将会对安装在基台上的X/Y标准激光干涉仪镜组模块产生相对位移，安装在Z向气浮导轨运动模块上的Z向反射镜组将会对安装在龙门支撑架上的标准激光干涉仪镜组模块产生相对位移，此时激光干涉仪将进行位置计算并反馈给上位机做进一步处理和补偿，实现X/Y/Z空间内的高精度位移移动控制；

上位机通过控制激光模块实现激光参数的调制并通过安装在Z向气浮运动轴模块上的物镜聚焦到样品，实现高精度微结构的精细加工，此外，安装在龙门支撑架上的激光差动共焦定焦模块将会对加工过程中的微结构实现原位几何参数测量。