專利名稱：基于可控光束剖面形狀與功率分布的雙掃描三維激光刻蝕加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光刻蝕加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于新原理的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的激光刻蝕加工方法，尤其涉及一種基于可控光束橫截面形狀與功率分布的雙掃描三維激光刻蝕加工方法。
背景技術(shù)：
激光刻蝕加工是指利用激光對(duì)工件表面材料進(jìn)行燒蝕去除的技術(shù)。與相對(duì)成熟的激光切割、激光焊接比較屬于一個(gè)新的激光加工領(lǐng)域，是近十年來隨著高峰值超短脈沖激光(納秒、皮秒、飛秒)技術(shù)的進(jìn)步而逐漸發(fā)展的一種表面結(jié)構(gòu)微加工技術(shù)，其發(fā)展最早的一個(gè)應(yīng)用是激光打標(biāo)。在這種技術(shù)中，聚焦激光束在表面掃描，刻蝕出字符和各種圖案。從本質(zhì)上講是一種平面(二維)的加工技術(shù)。微機(jī)電系統(tǒng)MEMS(Micro-electromechanical Systems)技術(shù)被認(rèn)為是二^^一世紀(jì)的重要支撐技術(shù)之一，類似于微電子技術(shù)對(duì)二十世紀(jì)的作用。三維立體而非平面的微結(jié)構(gòu)、 微零件的制造是其發(fā)展的關(guān)鍵。到目前為止，這一領(lǐng)域的典型尺度是1 μ nTlmm范圍，并涉及范圍很寬的材料。這個(gè)尺度對(duì)傳統(tǒng)機(jī)加工而言太小，而對(duì)于微電子工藝又太大(并且微電子工藝只能進(jìn)行平面(二維)的加工，主要限于硅材料)，所以都不適用。目前唯一可用于這一領(lǐng)域的技術(shù)是 LIGA 技術(shù)(Lithography Electroforming Micro Molding)。但是這一技術(shù)依賴于大型迴旋加速器產(chǎn)生的同步輻射，而這種巨型的設(shè)備在世界上也是屈指可數(shù)。因此，無法成為一種實(shí)際的工業(yè)技術(shù)。激光刻蝕加工是一個(gè)可用于上述加工任務(wù)的極有潛力的技術(shù)。它是一種柔性加工技術(shù)，具有高度的靈活性，適用于范圍寬廣的材料種類，尤其重要的是原理上它具備在 Ιμπι Imm尺度范圍三維加工的能力，盡管在目前它還只用于二維加工。本專利申請(qǐng)的核心內(nèi)容，就是提出了一種將二維平面激光刻蝕發(fā)展到三維立體激光刻蝕加工并具有成為工業(yè)實(shí)用技術(shù)潛力的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種基于可控光束剖面形狀與功率分布的雙掃描三維激光刻蝕加工方法，其思路為利用微光斑在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)快速受控掃描的方法，形成形狀和功率剖面可控的加工光斑，再用適當(dāng)方式使“加工光斑”進(jìn)行
二次掃描。本發(fā)明的目的可通過以下方案實(shí)現(xiàn)
利用正交聲光偏轉(zhuǎn)器通過聲光衍射效應(yīng)使激光束在一小范圍內(nèi)按需求設(shè)定的方式進(jìn)行小角度高頻掃描，形成加工需要的等效激光光斑，作為加工光斑，用振鏡系統(tǒng)引導(dǎo)加工光斑進(jìn)行二次掃描即可產(chǎn)生三維微結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)加工任務(wù)的需要，設(shè)定聲光偏轉(zhuǎn)器的激勵(lì)波形和強(qiáng)度，由外部波形發(fā)生器產(chǎn)生所需的波形，從而獲得所需的特定功率分布和形狀的光斑，以滿足不同的加工要求。特定的光束剖面可形成相對(duì)應(yīng)的刻蝕剖面，因此，利用激光振鏡掃描系統(tǒng)引導(dǎo)特定功率分布和形狀的光斑進(jìn)行二次掃描，可形成更為復(fù)雜的三維刻蝕結(jié)構(gòu)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果
(1)本發(fā)明利用互為正交的聲光偏轉(zhuǎn)器，使激光進(jìn)行小角度高頻掃描，形成剖面形狀和功率可控的等效激光光斑作為加工光斑，再用振鏡系統(tǒng)引導(dǎo)加工光斑進(jìn)行二次掃描，在工件上形成相對(duì)應(yīng)的三維微結(jié)構(gòu)刻蝕剖面，實(shí)現(xiàn)了三維微結(jié)構(gòu)的直接激光刻蝕加工，解決目前1 μ m Imm尺度范圍內(nèi)無合適三維微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)的問題，具有科學(xué)和工業(yè)實(shí)用的潛力。(2)將目前激光刻蝕加工的能力從平面(二維)提升到立體三維任意曲面無遮掩的直接加工，提高了現(xiàn)有二維刻蝕的加工精度。(3)可采用程控進(jìn)行自動(dòng)控制，具有高度靈活性。


圖1為本發(fā)明聲光偏轉(zhuǎn)器、機(jī)械振鏡雙重掃描激光加工方法的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明雙掃描三維激光刻蝕加工方法的做進(jìn)一步的說明。參照?qǐng)D1，先將正交聲光掃描偏轉(zhuǎn)器2正交置于激光器1的輸出口。設(shè)定目標(biāo)激光光斑面積為0. 2mm2的三角形光斑。調(diào)整X、Y向聲光偏轉(zhuǎn)器的激勵(lì)波形(由外部波形發(fā)生器產(chǎn)生所需的波形)和激光束的功率為15W，使激光束進(jìn)行小角度高頻掃描，便可獲得面積為 0.2mm2、功率為15W、且功率均勻分布的三角形等效激光光斑。再以等效激光光斑作為加工光斑，利用設(shè)置在聲光偏轉(zhuǎn)器之后的激光掃描振鏡系統(tǒng)3控制加工光斑的移動(dòng)軌跡，先在工件上初始位置沿水平方向按周期為0. 6mm進(jìn)行掃描刻蝕；然后激光加工光斑回到刻蝕初始位置，再沿垂直方向按相同周期0. 6mm進(jìn)行掃描刻蝕，即形成金字塔形狀的陣列。
權(quán)利要求
1. 一種基于可控光束剖面形狀與功率分布的雙掃描三維激光刻蝕加工方法，其特征在于利用互為正交放置的兩個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器，通過控制聲光偏轉(zhuǎn)器的激勵(lì)波形與強(qiáng)度，使激光束按設(shè)定的方式進(jìn)行小角度高頻掃描，形成剖面形狀和功率可控的等效激光光斑作為加工光斑，再用激光振鏡系統(tǒng)引導(dǎo)加工光斑進(jìn)行二次掃描，即在工件上形成相對(duì)應(yīng)的三維微結(jié)構(gòu)刻蝕剖面。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于可控光束橫截面形狀與功率分布的雙掃描三維激光刻蝕加工方法，屬于激光刻蝕加工技術(shù)領(lǐng)域。利用功率剖面分布可控的等效激光加工光斑，與光機(jī)掃描振鏡配合進(jìn)行工件表面雙重掃描激光加工，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的激光刻蝕加工。本發(fā)明將目前激光刻蝕加工的能力從平面(二維)提升到立體三維任意曲面無遮掩的加工，解決目前1μm～1mm尺度范圍內(nèi)無合適三維微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)的問題，具有科學(xué)和工業(yè)實(shí)用的潛力。
文檔編號(hào)B23K26/36GK102357735SQ20111028363
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月22日
發(fā)明者吳敢, 曹生珠, 楊建平, 王瑞, 陳學(xué)康, 韋波 申請(qǐng)人:中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五一0研究所