[发明专利]运动工件飞秒激光加工中椭圆运动曝光方法及系统

摘要

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系统，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。所述方法及系统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。

主权项

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，沿X向进给的运动台和沿Y向进给的运动台分别是气浮支撑并采用直线电机进行直接驱动运动轴，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驱动信号为：ux(t)=Vxcos(2πf′t+φx)uy(t)=Vycos(2πf′t+φy)uz(t)=Vzcos(2πf′t+φz)---(1)]]>式中，Vx、Vy、Vz分别为X、Y、Z向三个压电致动元件驱动信号ux(t)、uy(t)、uz(t)的幅值；φx、φy、φz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，ax、ay和az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：vpx=-vfxvpy=-vfy---(5)]]>式中，vpx和vpy分别是工件上预期曝光位置p相对于沿X和Y向进给的运动台的瞬时速度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与运动台的合成进给速度vf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vp在X、Y方向分量的绝对值分别为：vpx=2πaxfvpy=2πayf---(7)]]>因此可通过改变三维椭圆运动工作台的振幅ax和ay以及三维椭圆运动工作台的运动频率f以调节vpx和vpy，从而匹配工作台在X和Y方向上的进给速度vfx和vfy；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fs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dx、dy为：dx=vfxT=vfxfdy=vfyT=vfyf---(8)]]>由式(5)、式(7)、式(8)联立可得：ax=dx2πay=dy2π---(9)]]>三维椭圆运动工作台在X、Y方向的振幅ax、ay由相邻周期曝光位置在X、Y方向的距离dx、dy决定，当三维椭圆运动工作台在X、Y方向的振幅ax、ay确定之后，由式(5)、(7)可得：f=vfx2πax=vfy2πay---(10)]]>三维椭圆运动工作台的运动频率f由沿X和Y向进给的运动台在X、Y方向的进给速度vfx、vfy决定，沿X和Y向进给的运动台的进给速度决定了待加工件的加工速度，当沿X和Y向进给的运动台速度提升时，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。