專利名稱：激光輔助輥壓印制造機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)床用長(zhǎng)光柵的制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵的激光輔助棍壓印制造工藝方法。
背景技術(shù)：
光柵尺有著安裝簡(jiǎn)便，精度高的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，適用于機(jī)械加工過(guò)程中刀具和工件直線位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)，因此光柵尺作為進(jìn)給系統(tǒng)反饋元件在數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛應(yīng)用。目前主流的光柵尺制造方法是通過(guò)光刻制造高精度的母光柵，再以其為母版進(jìn)行光刻或翻模復(fù)制，工藝步驟繁復(fù)，精度損失大，而且受制于光刻技術(shù)限制，難于實(shí)現(xiàn)大尺度超長(zhǎng)的母光柵制造，在超大行程的位置檢測(cè)中只能夠采用多柵尺拼接的方式，增加了的安裝與調(diào)試難度。輥壓印工藝是納米壓印光刻技術(shù)的一種，利用輥壓印模具上連續(xù)無(wú)接縫的光柵線紋圖形，可連續(xù)輥壓復(fù)制光柵，能夠?qū)崿F(xiàn)超長(zhǎng)光柵的制備，具備連續(xù)生產(chǎn)，高產(chǎn)能，低成本的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。限于納米壓印工藝依靠機(jī)械力實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)復(fù)型的技術(shù)原理，傳統(tǒng)的輥壓印技術(shù)是以極大的壓印力來(lái)實(shí)現(xiàn)壓印材料向模具上微結(jié)構(gòu)凹腔中的填充，從而完成微結(jié)構(gòu)圖形的復(fù)型，尤其對(duì)于反射型光柵尺的制造，壓印材料為金屬，致使其發(fā)生塑性變形向模具上微結(jié)構(gòu)凹腔中填充，所需要的壓印力極其巨大，會(huì)導(dǎo)致壓印機(jī)構(gòu)的極大的變形，影響壓印設(shè)備的運(yùn)行精度；同時(shí)固體金屬材料的流動(dòng)性極其有限，在發(fā)明者的前期工藝實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，即便極大的壓印力也無(wú)法完成金屬材料在模具微結(jié)構(gòu)凹腔中超過(guò)80%的填充率，這種不完整的填充，造成光柵尺線紋槽形的不可控，從而導(dǎo)致后續(xù)的反射式光柵尺讀數(shù)系統(tǒng)中，光路信號(hào)的不穩(wěn)定。因此，這種傳統(tǒng)的輥壓印方式在面對(duì)高精度等級(jí)(優(yōu)于±lum)的光柵尺輥壓印制造，存在較大的技術(shù)障礙。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種激光輔助輥壓印制造機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵的工藝方法，以解決上述技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明方法利用光束整形和聚焦光學(xué)系統(tǒng)，將脈沖激光的出射光束調(diào)制成光強(qiáng)均勻分布的線光束(寬度方向幾十微米，長(zhǎng)度方向十幾毫米)；再將之引入表面具有光柵線紋特征的圓柱型石英輥壓印模具的空心型腔中，在輥壓印模具繞其軸心旋轉(zhuǎn)的輥壓印制備機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵過(guò)程中，使光束始終定向照射于輥壓印模具與光柵尺胚接觸的壓印區(qū)域，其輻照寬度為壓印區(qū)域中的幾個(gè)柵距(幾十至lOOym);利用脈沖激光的極高的瞬時(shí)功率，使壓印區(qū)域光柵尺胚上表面的金屬材料在壓印的瞬間被加熱至其熔點(diǎn)附近的溫度，從而使該區(qū)域的金屬具備一定的流動(dòng)性，能夠在較小的壓印力下，完成向石英輥壓印模具上光柵微結(jié)構(gòu)槽形凹腔中填充，隨著輥壓印模具的轉(zhuǎn)動(dòng)及光柵尺胚的水平前行，被加熱區(qū)域脫離激光輻照區(qū)域，上一壓印區(qū)域的金屬材料瞬時(shí)冷卻固化使光柵線紋微結(jié)構(gòu)保型，完成光柵線紋從輥壓印模具到光柵尺胚上的高精度復(fù)型。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案激光輔助輥壓印制造機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵工藝方法，包括以下步驟(I)石英輥壓印模具加工使用金剛石刀具車削加工中空的石英模具胚材，形成輥壓印模具基體，基體包括凸出的中間部分和位于中間部分兩側(cè)的軸肩；(2)石英輥壓印模具光柵線紋圖形制造使用旋轉(zhuǎn)曝光方法結(jié)合濕法腐蝕工藝，在基體的中間部分制造光柵線紋圖形；(3)光柵尺胚制造所述光柵尺胚為表面設(shè)有金屬膜層的硬質(zhì)玻璃或柔性金屬帶材；(4)準(zhǔn)分子激光光束整形采用光束整形光學(xué)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)分子激光器的輸出光束進(jìn)行整形；
(5)準(zhǔn)分子激光光束聚焦經(jīng)整形后的準(zhǔn)分子激光束在短軸方向使用一石英材質(zhì)的柱面聚焦透鏡進(jìn)行進(jìn)一步的聚焦，使其成為寬度限定在IOOym以內(nèi)量級(jí)的線狀光束；(6)準(zhǔn)分子激光光束引入經(jīng)過(guò)整形與聚焦的準(zhǔn)分子激光束通過(guò)若干組反射鏡進(jìn)行變向，引入石英輥壓印模具的中心空腔，使其定向輻照于壓印區(qū)域，其中，反射出輻照于壓印區(qū)域的激光束的反射鏡安裝于石英輥壓印模具的中心空腔內(nèi)，在石英輥壓印模具繞其軸心線旋轉(zhuǎn)時(shí)，此反射鏡隨機(jī)架固定；(7)連續(xù)輥壓印制造反射型長(zhǎng)光柵將光柵尺胚放置于石英輥壓印模具與支承輥之間，當(dāng)石英輥壓印模具接觸光柵尺胚后，石英輥壓印模具繞軸心旋轉(zhuǎn)，同時(shí)作為主動(dòng)輥驅(qū)動(dòng)光柵尺胚向前平動(dòng)；在壓印過(guò)程中，激光光束始終定向照射于石英輥壓印模具與光柵尺胚接觸的壓印區(qū)域。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟(I)中石英輥壓印模具的材料為UV級(jí)熔融石英；石英輥壓印模具的中間部分外徑為100-300mm，中心空腔直徑80_140mm，加工后，表面粗糙度<50nm，圓柱度及同心度〈I U m。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟(2)中旋轉(zhuǎn)曝光工藝中光刻膠的涂鋪方法為提拉法，提拉速度為1-lOmm/s，膠層厚度為5-10iim;步驟(2)中旋轉(zhuǎn)曝光工藝中光刻膠為瑞虹系列光刻膠或永光系列光刻膠；步驟(2)中旋轉(zhuǎn)曝光工藝中石英輥壓印模具濕法刻蝕工藝所使用的腐蝕液為氫氟酸基的腐蝕液，使用氟化銨、氟化鉀作為緩沖劑，工藝溫度為40-70。。。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟(3)中，所述金屬膜層的厚度為5-20 的Al、Cu、Cr或者不銹鋼膜層，其通過(guò)蒸鍍或?yàn)R射的方法設(shè)置于硬質(zhì)玻璃上；所述柔性金屬帶材為表面拋光成鏡面的Al、Cu或不銹鋼帶。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟(4)中所使用的準(zhǔn)分子激光器為波長(zhǎng)193nm的ArF、波長(zhǎng)222nm的KrCI、波長(zhǎng)248nm的KrF、波長(zhǎng)253nm的XeI、波長(zhǎng)308nm的XeCI或者波長(zhǎng)351nm的XeF準(zhǔn)分子光源，單脈沖能量處于500mri. 5J，脈寬幾十納秒量級(jí)，重復(fù)頻率10 1000Hz。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟(4)中所使用的光束整形光學(xué)系統(tǒng)由光束擴(kuò)展器、均化器組成，經(jīng)整形的光束長(zhǎng)軸方向?yàn)?0-15mm,短軸方向?yàn)?-8_。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟(5)中聚焦透鏡為UV級(jí)熔融石英材質(zhì)，經(jīng)過(guò)聚焦后，使其光束的長(zhǎng)軸方向尺寸不變，將短軸方向?qū)挾瘸叽缦薅ㄔ?0至100 i! m量級(jí)的線狀光束，長(zhǎng)度為整個(gè)線紋帶的寬度。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟￠)中，經(jīng)過(guò)整形與聚焦的準(zhǔn)分子激光束通過(guò)兩組反射鏡進(jìn)行變向，其中第一個(gè)反射鏡將激光束引入石英輥壓印模具的中心空腔，第二個(gè)反射鏡使其定向輻照于壓印區(qū)域，第二個(gè)反射鏡通過(guò)支架安裝于石英輥壓印模具的中心空腔內(nèi)，在石英輥壓印模具繞其軸心線旋轉(zhuǎn)時(shí)，此反射鏡固定。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于1步驟(6)中的反射鏡為UV級(jí)熔融石英材質(zhì)，表面為低損耗介電鍍膜，損傷閾值大于5J/cm2,設(shè)計(jì)入射角為45°、適用于波長(zhǎng)為193nm、222nm、248nm、253nm、308nm 和 35 Inm 的激光器。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟(6)中的壓印過(guò)程，激光光束始終定向照射于輥壓印模具與光柵尺胚接觸的壓印區(qū)域，其輻照寬度為10至100 i! m ;利用脈沖激光的極高的瞬時(shí)功率，使壓印區(qū)域光柵尺胚上表面的金屬材料在壓印的瞬間被加熱至具備流動(dòng)性，在壓印力下，完成向石英輥壓印模具上光柵微結(jié)構(gòu)槽形凹腔中填充，隨著輥壓印模具的轉(zhuǎn)動(dòng) 及光柵尺胚的水平前行，被加熱區(qū)域脫離激光輻照區(qū)域，上一壓印區(qū)域的金屬材料瞬時(shí)冷卻固化使光柵線紋微結(jié)構(gòu)保型，完成光柵線紋從輥壓印模具到光柵尺胚上的高精度復(fù)型。壓印模具為空心的石英材質(zhì)圓柱，其柱狀表面存在著經(jīng)過(guò)圓柱旋轉(zhuǎn)曝光和濕法刻蝕成型的無(wú)接縫光柵線紋圖形；所使用的脈沖激光為短波長(zhǎng)，高能量的準(zhǔn)分子激光，經(jīng)過(guò)光束整形，將之調(diào)制成線狀光束，引入到透明石英輥壓印模具的中心空腔中，使其定向輻照于壓印區(qū)域(模具與光柵尺胚表面壓印印的接觸區(qū)域，其寬度為幾個(gè)光柵柵距)；利用準(zhǔn)分子激光的高能量脈沖，將壓印區(qū)域的金屬材料瞬間被加熱至接近于金屬材料的熔點(diǎn)溫度，使其具有一定的流動(dòng)性，能夠在極小的壓印力下完成向輥壓印石英模具光柵線紋。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明方法通過(guò)將脈沖激光，引入到透明石英輥壓印模具的中心空腔中，使其定向輻照于壓印區(qū)域(模具與光柵尺胚表面壓印印的接觸區(qū)域，其寬度為幾個(gè)光柵柵距)；利用準(zhǔn)分子激光的高能量脈沖，將壓印區(qū)域的金屬材料瞬間被加熱至接近于金屬材料的熔點(diǎn)溫度，使其具有一定的流動(dòng)性，能夠在極小的壓印力下完成向輥壓印石英模具光柵線紋；減小了壓印力，金屬材料在模具微結(jié)構(gòu)凹腔中填充率高，光柵尺線紋槽形的可控；本發(fā)明所公開的脈沖激光輔助輥壓印制造反射型長(zhǎng)光柵的工藝方法適用于反射型長(zhǎng)光柵(一米以上)，及至超長(zhǎng)光柵(幾米及至幾十、上百米的柔性金屬帶材)的高精度、低成本的批量制造，極具推廣價(jià)值與應(yīng)用前景。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。圖IA是石英輥壓印模具三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖IB是石英輥壓印模具光柵柵線圖形帶剖面示意圖。圖2是激光輔助輥壓印機(jī)構(gòu)示意圖。圖3A是準(zhǔn)分子激光激光器的輸出光束短軸光強(qiáng)分布示意圖。圖3B是準(zhǔn)分子激光激光器的輸出光束長(zhǎng)軸光強(qiáng)分布示意圖。圖4是激光輔助輥壓印原理示意圖。圖中1為準(zhǔn)分子激光器；2為出射光束；3為光束整形光學(xué)系統(tǒng)；4為整形后的激光束；5為聚焦透鏡；6為聚焦光束；7為反射鏡I ;8為反射光束I ;9為反射鏡2 ；10為反射光束2 ;11為Al層；12為光柵尺胚支撐輥；13為基體；14為金屬熔化區(qū)；15為光柵柵線圖形區(qū)域；16為玻璃基底。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)附圖及具體實(shí)施實(shí)例詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下實(shí)施實(shí)例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍就包括權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容。本發(fā)明的激光輔助輥壓印制造機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵工藝方法的一種具體實(shí)施方式
是通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的。該方法包括以下步驟(I)石英輥壓印模具加工使用單點(diǎn)金剛石刀具超精密車削工藝，加工中空的石英模具胚材，形成輥壓印模具基體13，基體13的外形如圖IA所示，其包括凸出的中間部分 130和位于中間部分兩側(cè)的軸肩131。本實(shí)施例所用的輥壓印模具材料UV級(jí)熔融石英，石英輥壓印模具基體13的外徑D=200mm,中心空腔直徑d=140mm，中間部分130的寬度=40mm，兩側(cè)軸肩131寬度為20mm，力口工方式為金剛石刀具超精密車削，加工完成后，外圓面表面粗糙度<50nm，圓柱度及同心度〈I u m0(2)石英輥壓印模具光柵線紋圖形制造使用旋轉(zhuǎn)曝光方法結(jié)合濕法腐蝕工藝，在基體的中間部分制造光柵線紋圖形，光柵線紋如圖IB所示。本實(shí)施實(shí)例光刻操作中所用的光刻膠為永光正性光刻膠，粘度為30cp，光刻膠涂布方式為提拉法，提拉速度為5mm/s,膠層厚度為6iim。本實(shí)施實(shí)例光刻操作中所要制作的光柵尺柵距為20 ym，線紋長(zhǎng)度即光柵柵線圖形區(qū)域15的寬度為10_，曝光采用柱面旋轉(zhuǎn)曝光方式，顯影后使用濕法刻蝕工藝對(duì)石英材料進(jìn)行光柵線紋圖形的制造。本實(shí)施實(shí)例操作中石英輥壓印模具濕法刻蝕工藝所使用的腐蝕液為氫氟酸(HF)基的化學(xué)液體，使用氟化銨(NH4F)、氟化鉀(KF)作為緩沖劑，工藝溫度為50°C。(3)光柵尺胚加工光柵尺胚基底加工及其表面金屬層的沉積。本發(fā)明專利中所涉及的光柵尺胚的基底材料可以是硬質(zhì)玻璃，也可以是能夠盤繞成卷的柔性金屬帶材，對(duì)于硬質(zhì)玻璃，需要對(duì)玻璃表面通過(guò)蒸鍍或?yàn)R射上一層金屬材料，如Al、Cu或者Cr，厚度為5-20 iim，對(duì)于柔性金屬帶材，可以經(jīng)過(guò)表面鏡面拋光的Al、Cu或不銹鋼帶；本實(shí)施實(shí)例所用的光柵尺胚為玻璃基底16表面蒸鍍Al層11，玻璃基底16經(jīng)過(guò)剪切，拋光，加工尺寸為寬度20mm，厚度4mm，長(zhǎng)度1_3. 3m。加工完成，經(jīng)清洗、烘干后在玻璃表面蒸鍍一層15 ii m厚Al層11。(4)準(zhǔn)分子激光光束整形如附圖2光路圖所示，準(zhǔn)分子激光器I的出射光束2是準(zhǔn)矩形光束，在短軸方向，呈近高斯分布，在長(zhǎng)軸方向，呈超級(jí)高斯分布(截面的光束強(qiáng)度在當(dāng)中有一個(gè)較大的平臺(tái)，近邊緣處，開始下降)，如圖3A及3B所示。為將這種非均勻光強(qiáng)分布的光束轉(zhuǎn)換成均勻分布，需要進(jìn)行光束整形處理。針對(duì)準(zhǔn)分子激光的光束整形光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)成熟，一般由光束擴(kuò)展器、均化器組成，經(jīng)整形的光束尺寸由光束整形光學(xué)系統(tǒng)出口的幾何尺寸決定，根據(jù)光柵尺上線紋區(qū)域的寬度要求，長(zhǎng)軸方向一般為10-15mm，短軸方向根據(jù)下一處理單元一聚焦透鏡的參數(shù)進(jìn)行決定，一般為5-8_ ；
本實(shí)施實(shí)例所用準(zhǔn)分子激光器I參數(shù)為波長(zhǎng)為308nm，脈寬為30ns，最大重復(fù)頻率為10Hz，最大脈沖能量為500mJ/pulSe。輸出光束大小為8 X 24mm2。本實(shí)施實(shí)例所用光束整形光學(xué)系統(tǒng)3由擴(kuò)束器、均化器組成,整形后的激光束4尺寸在長(zhǎng)軸方向?yàn)镮Omm,短軸方向 Smnin(5)準(zhǔn)分子激光光束聚焦經(jīng)整形后的準(zhǔn)分子激光束4需要在短軸方向使用一石英材質(zhì)的柱面聚焦透鏡5進(jìn)行進(jìn) 一步的聚焦，以保證在引入石英輥壓印模具的空腔進(jìn)行定向輻照時(shí)，瞬間熔化金屬的寬度僅為光柵尺的幾個(gè)柵距。在本實(shí)施實(shí)例中，需要將光束在短軸方向上聚焦為100 iim，以保證僅在壓印區(qū)域的金屬得到瞬間熔化。(6)準(zhǔn)分子激光光束引入經(jīng)過(guò)聚焦透鏡5聚焦的聚焦光束6經(jīng)過(guò)兩組反射鏡(7及9)進(jìn)行傳輸方向的改變，引入石英輥壓印模具基體13的中心空腔，使其定向輻照于壓印區(qū)域。其中，反射鏡9通過(guò)一固定安裝座固定于中心空腔中，在石英輥壓印模具繞其軸心線旋轉(zhuǎn)時(shí)，反射鏡9隨機(jī)架固定，保證激光束10的定向輻照。在激光束10的作用下，光柵尺胚16上表面的Al層11被瞬間加熱600°C (Al熔點(diǎn)附近)熔化。(7)連續(xù)輥壓印制造反射型長(zhǎng)光柵如圖4所示，在輥壓印工藝過(guò)程中，壓印力依靠基體13下壓進(jìn)行施加，光柵尺胚放置于支撐輥12之上，當(dāng)石英輥壓印模具接觸光柵尺胚表面Al層11后，石英輥壓印模具繞軸心旋轉(zhuǎn)，同時(shí)作為主動(dòng)輥驅(qū)動(dòng)光柵尺胚向前平動(dòng)。在壓印過(guò)程中，使激光光束10始終定向照射于石英輥壓印模具與光柵尺胚接觸的壓印區(qū)域，其輻照寬度為壓印區(qū)域中的100 u m ;利用脈沖激光10極高的瞬時(shí)功率，使壓印區(qū)域光柵尺胚上表面的Al層11在壓印的瞬間被加熱至其熔點(diǎn)附近￠00)的溫度，從而使該區(qū)域的金屬具備一定的流動(dòng)性，形成金屬熔化區(qū)14。能夠在較小的壓印力下，完成向石英輥壓印模具上的光柵微結(jié)構(gòu)槽形凹腔中填充，隨著石英輥壓印模具的轉(zhuǎn)動(dòng)及光柵尺胚的水平前行，金屬熔化區(qū)14脫離激光輻照區(qū)域，此區(qū)域的金屬材料瞬時(shí)冷卻固化使光柵線紋微結(jié)構(gòu)保型，完成光柵線紋從輥壓印模具到光柵尺胚上的高精度復(fù)型。本發(fā)明所公開的脈沖激光輔助輥壓印制造反射型長(zhǎng)光柵的工藝方法適用于反射型長(zhǎng)光柵(一米以上)，及至超長(zhǎng)光柵(幾米及至幾十、上百米的柔性金屬帶柵)的高精度、低成本的批量制造，極具推廣價(jià)值與應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.激光輔助輥壓印制造機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵工藝方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)石英輥壓印模具加工使用金剛石刀具車削加工中空的石英模具胚材，形成輥壓印模具基體，基體包括凸出的中間部分和位于中間部分兩側(cè)的軸肩； (2)石英輥壓印模具光柵線紋圖形制造使用旋轉(zhuǎn)曝光方法結(jié)合濕法腐蝕工藝，在基體的中間部分制造光柵線紋圖形； (3)光柵尺胚制造所述光柵尺胚為表面設(shè)有金屬膜層的硬質(zhì)玻璃或柔性金屬帶材； (4)準(zhǔn)分子激光光束整形采用光束整形光學(xué)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)分子激光器的輸出光束進(jìn)行整形； (5)準(zhǔn)分子激光光束聚焦經(jīng)整形后的準(zhǔn)分子激光束在短軸方向使用一石英材質(zhì)的柱面聚焦透鏡進(jìn)行進(jìn)一步的聚焦，使其成為寬度限定在IOOym以內(nèi)量級(jí)的線狀光束； (6)準(zhǔn)分子激光光束引入經(jīng)過(guò)整形與聚焦的準(zhǔn)分子激光束通過(guò)若干組反射鏡進(jìn)行變向，引入石英輥壓印模具的中心空腔，使其定向輻照于壓印區(qū)域，其中，反射出輻照于壓印區(qū)域的激光束的反射鏡安裝于石英輥壓印模具的中心空腔內(nèi)，在石英輥壓印模具繞其軸心線旋轉(zhuǎn)時(shí)，此反射鏡隨機(jī)架固定； (7)連續(xù)輥壓印制造反射型長(zhǎng)光柵將光柵尺胚放置于石英輥壓印模具與支承輥之間，當(dāng)石英輥壓印模具接觸光柵尺胚后，石英輥壓印模具繞軸心旋轉(zhuǎn)，同時(shí)作為主動(dòng)輥驅(qū)動(dòng)光柵尺胚向前平動(dòng)；在壓印過(guò)程中，激光光束始終定向照射于石英輥壓印模具與光柵尺胚接觸的壓印區(qū)域。
2.按照權(quán)利要求I所述的激光輔助輥壓印制造機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵工藝方法，其特征在于步驟(I)中石英輥壓印模具的材料為UV級(jí)熔融石英；石英輥壓印模具的中間部分外徑為100-300mm，中心空腔直徑80_140mm，加工后，表面粗糙度<50nm，圓柱度及同心度〈I u m0
3.按照權(quán)利要求I所述的激光輔助輥壓印制造機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵工藝方法，其特征在于步驟(2)中旋轉(zhuǎn)曝光工藝中光刻膠的涂鋪方法為提拉法，提拉速度為1-lOmm/s，膠層厚度為5-10 u m ;步驟(2)中旋轉(zhuǎn)曝光工藝中光刻膠為瑞虹系列光刻膠或永光系列光刻膠；步驟(2)中旋轉(zhuǎn)曝光工藝中石英輥壓印模具濕法刻蝕工藝所使用的腐蝕液為氫氟酸基的腐蝕液，使用氟化銨、氟化鉀作為緩沖劑，工藝溫度為40-70°C。
4.按照權(quán)利要求I所述的激光輔助輥壓印制造機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵工藝方法，其特征在于步驟(3)中，所述金屬膜層的厚度為5-20i!m的Al、Cu、Cr或者不銹鋼膜層，其通過(guò)蒸鍍或?yàn)R射的方法設(shè)置于硬質(zhì)玻璃上；所述柔性金屬帶材為表面拋光成鏡面的Al、Cu或不銹鋼帶。
5.按照權(quán)利要求I所述的激光輔助輥壓印制造機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵工藝方法，其特征在于步驟⑷中所使用的準(zhǔn)分子激光器為波長(zhǎng)193nm的ArF、波長(zhǎng)222nm的KrCI、波長(zhǎng)248nm的KrF、波長(zhǎng)253nm的XeI、波長(zhǎng)308nm的XeCI或者波長(zhǎng)351nm的XeF準(zhǔn)分子光源，單脈沖能量處于500mri. 5J，脈寬幾十納秒量級(jí)，重復(fù)頻率1(T1000Hz。
6.按照權(quán)利要求I所述的激光輔助輥壓印制造機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵工藝方法，其特征在于步驟(4)中所使用的光束整形光學(xué)系統(tǒng)由光束擴(kuò)展器、均化器組成，經(jīng)整形的光束長(zhǎng)軸方向?yàn)?0_15mm,短軸方向?yàn)?_8mm。
7.按照權(quán)利要求I所述的激光輔助輥壓印制造機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵工藝方法，其特征在于步驟(5)中聚焦透鏡為UV級(jí)熔融石英材質(zhì)，經(jīng)過(guò)聚焦后，使其光束的長(zhǎng)軸方向尺寸不變，將短軸方向?qū)挾瘸叽缦薅ㄔ?0至IOOiim量級(jí)的線狀光束，長(zhǎng)度為整個(gè)線紋帶的寬度。
8.按照權(quán)利要求I所述的單激光輔助輥壓印制造機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵工藝方法，其特征在于步驟￠)中，經(jīng)過(guò)整形與聚焦的準(zhǔn)分子激光束通過(guò)兩組反射鏡進(jìn)行變向，其中第一個(gè)反射鏡將激光束引入石英輥壓印模具的中心空腔，第二個(gè)反射鏡使其定向輻照于壓印區(qū)域，第二個(gè)反射鏡通過(guò)支架安裝于石英輥壓印模具的中心空腔內(nèi)，在石英輥壓印模具繞其軸心線旋轉(zhuǎn)時(shí)，此反射鏡固定。
9.按照權(quán)利要求I所述的激光輔助輥壓印制造機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵工藝方法，其特征在于1步驟(6)中的反射鏡為UV級(jí)熔融石英材質(zhì)，表面為低損耗介電鍍膜，損傷閾值大于5J/cm2,設(shè)計(jì)入射角為45。、適用于波長(zhǎng)為193nm、222nm、248nm、253nm、308nm和351nm的激光器。
10.按照權(quán)利要求I所述的激光輔助輥壓印制造機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵工藝方法，其特征在于步驟￠)中的壓印過(guò)程，激光光束始終定向照射于輥壓印模具與光柵尺胚接觸的壓印區(qū)域，其輻照寬度為10至IOOiim;利用脈沖激光的極高的瞬時(shí)功率，使壓印區(qū)域光柵尺胚上表面的金屬材料在壓印的瞬間被加熱至具備流動(dòng)性，在壓印力下，完成向石英輥壓印模具上光柵微結(jié)構(gòu)槽形凹腔中填充，隨著輥壓印模具的轉(zhuǎn)動(dòng)及光柵尺胚的水平前行，被加熱區(qū)域脫離激光輻照區(qū)域，上一壓印區(qū)域的金屬材料瞬時(shí)冷卻固化使光柵線紋微結(jié)構(gòu)保型，完成光柵線紋從輥壓印模具到光柵尺胚上的高精度復(fù)型。
全文摘要
本發(fā)明公開一種激光輔助輥壓印制造機(jī)床用反射型長(zhǎng)光柵的工藝方法將準(zhǔn)分子激光的出射光束調(diào)制成光強(qiáng)均勻分布的線狀光束；再將之始終定向照射于壓印區(qū)域；使壓印區(qū)域光柵尺胚上表面的金屬材料在壓印的瞬間被加熱至其熔點(diǎn)附近的溫度，從而使該區(qū)域的金屬具備一定的流動(dòng)性，能夠在較小的壓印力下，完成向石英輥壓印模具上光柵微結(jié)構(gòu)槽形凹腔中填充，被加熱區(qū)域脫離激光輻照區(qū)域后金屬材料瞬時(shí)冷卻固化使光柵線紋微結(jié)構(gòu)保型，完成光柵線紋從輥壓印模具到光柵尺胚上的高精度復(fù)型。本發(fā)明方法適用于反射型長(zhǎng)光柵(一米以上)，及至超長(zhǎng)光柵(幾米及至幾十、上百米的柔性金屬帶材)的高精度、低成本的批量制造，極具推廣價(jià)值與應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G02B27/09GK102759856SQ20121024746
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月17日
發(fā)明者馮龍, 劉紅忠, 盧秉恒, 史永勝, 尹磊, 范禪金, 蔣維濤 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué), 西安瑞特快速制造工程研究有限公司