專利名稱:掃描電子顯微鏡用光闌的紫外激光微加工系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及到光闌,特別是一種應(yīng)用于掃描電子顯微鏡中的微孔和小孔 光闌的紫外激光微加工系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù):
目前,各種微孔在飛機、汽車、電子電器、化工、食品、生物醫(yī)療等行 業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。但是對于一些硬脆材料、合金材料、硬質(zhì)金屬材料 以及一些其他高新材料進(jìn)行百微米甚至十微米量級的微孔加工難度是非常大 的。而用來作為掃描電子顯微鏡的通電子束的光闌,需要在難熔金屬鉬的薄
片上加工出從20pm到30(Him范圍內(nèi)多個孔徑大小的微孔和小孔。普遍采用 機械加工方式對薄鉬片進(jìn)行鉆孔加工,這種方式不僅需要消耗昂貴的金剛石 鉆頭,而且很難加工小于300jiim的孔徑;其它加工技術(shù)也可以用來進(jìn)行加工, 但是效率低,成本高,例如電火花加工,用電火花加工需要針對不同孔徑制 造相對應(yīng)的電極,而加工電極的難度甚至大于加工微孔和小孔的難度,并且 電極也非常容易損壞,成本也極其昂貴。
因此,需要一種能夠針對不同孔徑光闌尤其是微孔光闌的有效的加工系 統(tǒng)、技術(shù)和方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是針對上述的微孔和小孔光闌加工技術(shù)的難題,提 供一種紫外激光加工掃描電子顯微鏡用光闌的系統(tǒng)及方法,該系統(tǒng)和方法能
夠解決孔徑在15pm 300(im的各種孔徑光闌的加工,該系統(tǒng)和方法具有精度 高、速度快以及環(huán)保等優(yōu)點。
為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。包括有紫外激光器l、 計算機2、掃描振鏡系統(tǒng)3、鉬薄片4、夾具5和工作臺6。其中,紫外激光 器1發(fā)出的激光束7水平射入掃描振鏡系統(tǒng)3中,經(jīng)過掃描振鏡系統(tǒng)3中的
折返鏡后光束變?yōu)樨Q直向下,并經(jīng)掃描振鏡系統(tǒng)3中的/一e聚焦透鏡聚焦到通過夾具5固定在工作臺6上的厚度在10pm 0.5mm之間的被加工材料鉬片 4上;紫外激光器1的波長為157nm 390nm,脈沖重復(fù)頻率的調(diào)節(jié)范圍為 1Hz 15KHz。所述的夾具5包括有可以通過螺釘固定連接的上金屬塊9和下金屬塊10, 上金屬塊9置于下金屬塊10之上,上金屬塊9與下金屬塊10在相應(yīng)位置設(shè) 置有大小相同、用于激光束通過的中空部分。使用上述掃描電子顯微鏡用光闌的紫外激光微加工系統(tǒng)來加工微孔光闌 的方法,其特征在于,該方法包括以下步驟1) 調(diào)整工作臺5使得被加工材料鉬片4上表面位于掃描振鏡系統(tǒng)發(fā)出的 聚焦激光束的焦點位置;2) 打開紫外激光器1和計算機2,用計算機2控制紫外激光器1輸出激光 7,調(diào)整紫外激光器1脈沖重復(fù)頻率在鉬片4上加工微孔;脈沖重復(fù)頻率具體調(diào)節(jié)方法為對于要加工孔徑在15pm和23(im之間的微孔,激光器脈沖重復(fù)頻率在 200Hz 500Hz之間進(jìn)行調(diào)節(jié);對于要加工孔徑在23pm 27Mm之間的微孔,激光器脈沖重復(fù)頻率在 500Hz 1500Hz之間進(jìn)行調(diào)節(jié);對于要加工孔徑在27pm 32iim之間的微孔,激光器脈沖重復(fù)頻率在 1500Hz 5000Hz之間進(jìn)行加工。使用上述掃描電子顯微鏡用光闌的紫外激光微加工系統(tǒng)來加工微孔光闌 的方法,其特征在于,該方法包括以下步驟1) 調(diào)整工作臺5使得被加工材料鉬片4上表面位于掃描振鏡系統(tǒng)發(fā)出的 聚焦激光束的焦點位置;2) 打開紫外激光器1和計算機2,用計算機2控制紫外激光器1輸出激光 7,設(shè)定激光脈沖重復(fù)頻率500Hz,調(diào)整離焦量來加工微孔;
離焦量的具體調(diào)節(jié)方法為
對于要加工孔徑在23pm和30pm之間的微孔,離焦量的調(diào)節(jié)范圍為 0mm lmm;
對于要加工孔徑在30pm和50|im之間的微孔,離焦量的調(diào)節(jié)范圍為 lmm 2.5mm。
上述兩種加工方法均為微鉆孔加工方法,可以加工孔徑在15(im 50nm 的微孔,所謂的微鉆孔是指保持光與工作臺不動,使得激光在某一位置持續(xù) 脈沖加工得到微孔。
使用上述掃描電子顯微鏡用光闌的紫外激光微加工系統(tǒng)來加工微孔光闌 的方法,其特征在于,該方法包括以下步驟
1) 調(diào)整工作臺5使得被加工材料鉬片4上表面位于掃描振鏡系統(tǒng)發(fā)出的 聚焦激光束的焦點位置;
2) 打開計算機2,并在掃描振鏡系統(tǒng)3的控制軟件中繪制所要加工的各個 小孔孔徑大??;
3) 打開紫外激光器1調(diào)整激光器的脈沖重復(fù)頻率和振鏡控制軟件的掃描 速度對繪制的各小孔進(jìn)行激光切孔,得到各種孔徑的光闌;
所述的脈沖重復(fù)頻率在500 5000之間進(jìn)行調(diào)節(jié); 所述的掃描速度可以在0.01 mnvs-l 10 mnvs-l之間調(diào)節(jié)。 所述的脈沖重復(fù)頻率和掃描速度的具體調(diào)節(jié)方法為對于0.2mm厚的鉬 片(4)進(jìn)行激光微切孔,脈沖重復(fù)頻率為500Hz時,切割的速度為O.lOmms-l; 脈沖重復(fù)頻率為1000Hz時,切割的速度為0.22mms-1;脈沖重復(fù)頻率為1500Hz 時,切割的速度為0.35mms-l; 脈沖重復(fù)頻率為2000Hz時,切割的速度為 0.42mms-l;脈沖重復(fù)頻率為2500Hz時,切割的速度為0.48mms-l;脈沖重 復(fù)頻率為3000Hz時,切割的速度為0.65mms-l;脈沖重復(fù)頻率為3500Hz時, 切割的速度為0.80mms-l。
該方法為微切孔加工方法,能夠加工出孔徑在50iim 300^im的微孔,所
謂的激光微切孔方法是指激光按照一定軌跡切出一個封閉的區(qū)域形成孔。本發(fā)明的優(yōu)點為.. 一種在鉬薄片上用紫外激光加工掃描電子顯微鏡用光 闌的系統(tǒng)和方法,用激光微鉆孔和激光微切孔技術(shù)來加工掃描電子顯微鏡用的從15pm到300pm之間的各種孔徑光闌,尤其是加工15pm到50pm之間的微孔,解決了目前微孔難以加工的問題。激光微加工方法具有精度高、非接 觸、速度快、效率高、成本低、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。而且所用的高功率 紫外激光加工質(zhì)量好,熱影響區(qū)和變形都很小。
圖1是紫外激光加工掃描電子顯微鏡用光闌的系統(tǒng)裝置簡圖; 圖2是夾具的結(jié)構(gòu)簡圖;其中1、紫外激光器;2、計算機;3、掃描振鏡系統(tǒng);4、被加工 材料鉬薄片;5、夾具;6、工作臺;7、激光束、8、螺絲;9、上金屬塊; 10、上金屬塊。
具體實施方式
下面結(jié)合圖l、圖2詳細(xì)說明本實施例。如圖1所示,本實施例包括有波長為355nm的紫外激光器1、計算機2、 掃描振鏡系統(tǒng)3、鉬薄片4、夾具5和工作臺6。其中,紫外激光器l發(fā)出的 激光束7水平射入掃描振鏡系統(tǒng)3中,振鏡系統(tǒng)內(nèi)部有兩塊反射鏡,通過計 算機中的振鏡控制軟件控制反射鏡的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)對激光束X, Y方向的精密掃描,經(jīng)過振鏡系統(tǒng)的反射鏡后光束變?yōu)樨Q直向下,激光束經(jīng)過出光口的/ —6聚焦透鏡聚焦到鉬薄片4上,鉬薄片通過夾具5固定在三維精密移動工作 臺上面。三維精密移動工作臺也可以是單一Z向精密移動工作臺。如圖2所示,本實施例中的夾具5由上下兩塊70mmX60mm的中空的厚 金屬塊和四個螺絲8組成。上面是5mm厚的鋁塊9,其中間為50mmX40mm 的中空部分用來作為加工區(qū)域,四個角有四個通孔;下面是15mm厚的不銹 鋼塊IO,中間也是50mmX40mm的中空部分,四個角的相應(yīng)位置的通孔改為
螺紋通孔;激光加工時鉬薄片4被夾在兩塊厚金屬塊之間,四個螺絲8把上下兩個厚金屬塊連在一起并擰緊。本夾具既能夠保證鉬薄片被夾在后金屬塊 之間保持展平,又可以保證下面懸空利于激光加工,同時兩個厚金屬塊有足 夠的重量保證加工過程中鉬薄片的位置不發(fā)生變化。對于在15jim到300pm之間的光闌孔徑,可以分別采用激光微鉆孔和激 光微切孔兩種方法對鉬薄片光闌進(jìn)行加工。其中微鉆孔是指保持光與工作臺 不動,使得激光在某一位置持續(xù)脈沖加工得到微孔;激光微切孔是指激光按 照一定軌跡切出 一個封閉的區(qū)域形成孔。激光微鉆孔的方法包括下列步驟① 將紫外激光器1、計算機2、掃描振鏡系統(tǒng)3、被加工材料鉬薄片4、夾 具5和工作臺6按照上述方法搭建好;② 調(diào)整工作臺5,使得鉬薄片4的上表面位于聚焦激光束焦點位置;③ 打開激光器1和計算機2,用計算機2控制激光器1輸出激光6,調(diào)整 激光器脈沖重復(fù)頻率來加工孔徑在15pm和32pm之間的微孔或者設(shè)定激光脈 沖重復(fù)頻率,調(diào)整離焦量來加工孔徑在23pm到5(Vm之間的微孔。此處所指 離焦量是指鉬片4上表面和掃描振鏡系統(tǒng)3聚焦的激光束焦點之間的距離。 其中激光器的脈沖重復(fù)頻率是在1Hz 15KHz之間可調(diào);離焦量是在Omm 5mm之間取值。采用調(diào)整頻率加工時,保持鉬薄片在激光束焦點位置,對于孔徑在15(im 和23pm之間的微?L,采用激光器脈沖重復(fù)頻率在200Hz 500Hz之間進(jìn)行加 工;對于孔徑在23lam 27pm之間的微孔,采用采用激光器脈沖重復(fù)頻率在 500Hz 1500Hz之間迸行加工;對于孔徑在27|im 32|im之間的微孔,采用 采用激光器脈沖重復(fù)頻率在1500Hz 5000Hz之間進(jìn)行加工。采用改變離焦量加工時,保持激光脈沖重復(fù)頻率為500Hz,對于孔徑在 23(im 30jim之間的微孔,采用離焦量在Omm lmm之間進(jìn)行加工,對于孔徑 在30pm 50^im之間的微孔,采用離焦量在lmm 2.5mm之間進(jìn)行加工。
激光微切孔的方法包括以下步驟① 將紫外激光器1、計算機2、掃描振鏡系統(tǒng)3、被加工材料鉬片4和工作 臺5按上述方法搭建好;② 調(diào)整工作臺5使得鉬片4上表面位于聚焦激光束焦點位置;③ 打開計算機2,并在掃描振鏡系統(tǒng)3的控制軟件中繪制所要加工的各個 小孔孔徑大??;④打開紫外激光器1調(diào)整激光器的脈沖重復(fù)頻率和振鏡控制軟件的掃描速度對繪制的各小孔在鉬片4上進(jìn)行激光切孔,得到所需要的各種孔徑的光闌。 其中,脈沖重復(fù)頻率可在在500Hz 5000Hz之間進(jìn)行調(diào)節(jié),掃描速度可以在 0.01 mnrs-l禾Q 10 mnvs-l之間可調(diào)。加工的孔徑是在5(Vm 500pm之間的圓 孔,也可以是其他任何形狀或者任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)的孔,其孔徑也可以是500|am 10mm之間的任何孔徑。對于0.2mm厚的鉬薄片進(jìn)行激光微切孔,脈沖重復(fù)頻率為500Hz時, 切割的速度為O.lOmms-l;脈沖重復(fù)頻率為1000Hz時,切割的速度為 0.22mms-l;脈沖重復(fù)頻率為1500Hz時,切割的速度為0.35mms-l; 脈沖重 復(fù)頻率為2000Hz時,切割的速度為0.42mms-l;脈沖重復(fù)頻率為2500Hz時, 切割的速度為0.48mms-l;脈沖重復(fù)頻率為3000Hz時,切割的速度為 0.65mms-l;脈沖重復(fù)頻率為3500Hz時,切割的速度為0.80mms-l。使用本系統(tǒng),能夠用微鉆孔和微切孔技術(shù)來加工掃描電子顯微鏡用的從 15pm到300pm之間的各種孔徑光闌,尤其是加工15nm到50pm之間的微孔, 解決了目前微孔難以加工的問題。
權(quán)利要求
1、掃描電子顯微鏡用光闌的紫外激光微加工系統(tǒng),其特征在于包括有紫外激光器(1)、計算機(2)、掃描振鏡系統(tǒng)(3)、鉬薄片(4)、夾具(5)和工作臺(6);其中,紫外激光器(1)發(fā)出的激光束(7)水平射入掃描振鏡系統(tǒng)(3)中,經(jīng)過掃描振鏡系統(tǒng)(3)中的折返鏡后光束變?yōu)樨Q直向下,并經(jīng)掃描振鏡系統(tǒng)(3)中的f-θ聚焦透鏡聚焦到通過夾具(5)固定在工作臺(6)上的厚度在10μm~0.5mm之間的被加工材料鉬片(4)上;所述的紫外激光器(1)的波長為157nm~390nm,脈沖重復(fù)頻率的調(diào)節(jié)范圍為1Hz~15KHz。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的掃描電子顯微鏡用光闌的紫外激光微加工系統(tǒng),其 特征在于所述的夾具(5)包括有可以通過螺釘固定連接的上金屬塊(9) 和下金屬塊(10),上金屬塊(9)置于下金屬塊(10)之上,上金屬塊(9) 與下金屬塊(10)在相應(yīng)位置設(shè)置有大小相同、用于激光束通過的中空部分。
3、 使用權(quán)利要求1所述的掃描電子顯微鏡用光闌的紫外激光微加工系統(tǒng)來加 工微孔光闌的方法,其特征在于,該方法包括以下步驟1) 調(diào)整工作臺(5)使得被加工材料鉬片(4)上表面位于掃描振鏡系統(tǒng) 發(fā)出的聚焦激光束的焦點位置;2) 打開紫外激光器(1)和計算機(2),用計算機(2)控制紫外激光器 (1)輸出激光(7),調(diào)整紫外激光器(1)脈沖重復(fù)頻率在鉬片(4)上加工微孔;脈沖重復(fù)頻率具體調(diào)節(jié)方法為對于要加工孔徑在15pm和23pm之間的微?L,激光器脈沖重復(fù)頻率在 200Hz 500Hz之間進(jìn)行調(diào)節(jié);對于要加工孔徑在23(im 27(im之間的微孔,激光器脈沖重復(fù)頻率在 500Hz 1500Hz之間進(jìn)行調(diào)節(jié);對于要加工孔徑在27pm 32pm之間的微孔,激光器脈沖重復(fù)頻率在 1500Hz 5000Hz之間進(jìn)行加工。
4、 使用權(quán)利要求1所述的掃描電子顯微鏡用光鬧的紫外激光微加工系統(tǒng)來加 工微孔光闌的方法,其特征在于,該方法包括以下步驟1) 調(diào)整工作臺(5)使得被加工材料鉬片(4)上表面位于掃描振鏡系統(tǒng) 發(fā)出的聚焦激光束的焦點位置;2) 打開紫外激光器(1)和計算機(2),用計算機(2)控制紫外激光器 (1)輸出激光(7),設(shè)定激光脈沖重復(fù)頻率500Hz,調(diào)整離焦量來加工微孔;離焦量的具體調(diào)節(jié)方法為對于要加工孔徑在23pm和30pm之間的微孔,離焦量的調(diào)節(jié)范圍為 Omm lmm;對于要加工孔徑在30pm和50pm之間的微孔,離焦量的調(diào)節(jié)范圍為 lmm 2.5mm。
5、 使用權(quán)利要求1所述的掃描電子顯微鏡用光闌的紫外激光微加工系統(tǒng)來加工微孔光闌的方法,其特征在于,該方法包括以下步驟1) 調(diào)整工作臺(5)使得被加工材料鉬片(4)上表面位于掃描振鏡系統(tǒng) 發(fā)出的聚焦激光束的焦點位置;2) 打開計算機(2),并在掃描振鏡系統(tǒng)(3)的控制軟件中繪制所要加工 的各個小孔孔徑大?。?) 打開紫外激光器(1)調(diào)整激光器的脈沖重復(fù)頻率和振鏡控制軟件的 掃描速度對繪制的各小孔在被加工材料鉬片4上進(jìn)行激光切孔,得到各種孔 徑的光闌;所述的脈沖重復(fù)頻率在500 Hz 5000 Hz之間進(jìn)行調(diào)節(jié); 所述的掃描速度可以在O.Ol mnvs-l 10mnvs-l之間調(diào)節(jié)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的加工微孔光闌的方法,其特征在于所述的脈沖重 復(fù)頻率和掃描速度的具體調(diào)節(jié)方法為對于0.2mm厚的鉬片(4)進(jìn)行激光微 切孔,脈沖重復(fù)頻率為500Hz時,切割的速度為O.lOmms-l;脈沖重復(fù)頻率 為1000Hz時,切割的速度為0.22mms-l;脈沖重復(fù)頻率為1500Hz時,切割 的速度為0.35mms-l;脈沖重復(fù)頻率為2000Hz時,切割的速度為0.42mms-l; 脈沖重復(fù)頻率為2500Hz時,切割的速度為0.48mms-l;脈沖重復(fù)頻率為3000Hz 時,切割的速度為0.65mms-l;脈沖重復(fù)頻率為3500Hz時,切割的速度為 0.80mms-l。
全文摘要
本發(fā)明涉及到光闌,特別是一種應(yīng)用于掃描電子顯微鏡中的微孔和小孔光闌的紫外激光微加工系統(tǒng)和方法。主要由紫外激光器、計算機、掃描振鏡系統(tǒng)、被加工材料鉬薄片、工作臺和夾具構(gòu)成,通過激光微鉆孔和激光微切孔兩種方法加工不同孔徑的光闌。對于15μm~50μm的微孔采用微鉆孔方法加工,把鉬薄片放在焦點位置,通過調(diào)整激光脈沖重復(fù)頻率或者調(diào)節(jié)離焦量來加工;對于50μm~300μm的孔徑采用激光微切割的方法進(jìn)行加工,首先使鉬片固定在激光束焦點位置,其次在掃描振鏡控制軟件中繪制所要加工的孔徑大小,最后控制激光器對繪制的孔徑進(jìn)行激光微切孔。本發(fā)明能夠加工15μm~300μm的微孔,解決了目前微孔加工的難題。
文檔編號B23K26/38GK101131470SQ20071012210
公開日2008年2月27日 申請日期2007年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日
發(fā)明者翟立斌, 趙宏亮, 陳繼民 申請人:北京工業(yè)大學(xué)