飛秒激光微細加工系統(tǒng)裝備的設計與開發(fā)

錢振華 王榮揚 何彥虎

(湖州職業(yè)技術學院機電工程分院，浙江 湖州313000)

隨著對激光技術的深入研究，激光脈沖的時域?qū)挾缺粔嚎s得越來越短，納秒(10-9s)量級到了皮秒(10-12s)量級直至飛秒(10-15s)量級［1］。脈沖時域?qū)挾仍陲w秒量級的激光被稱為飛秒激光。由于飛秒激光有著極短的脈沖寬度，可以用低的脈沖能量獲得極高的峰值光強。例如，將脈沖能量為1 mJ、脈沖寬度為100 fs 的激光脈沖聚焦到直徑為2 μm 的位點上時，可以獲得1017W/cm2的峰值光強。具有如此極高峰值強度和極短脈沖寬度的光脈沖與物質(zhì)相互作用時能夠以極快的速度將其全部能量注入到很小的作用區(qū)域，瞬間的高能量密度沉積將使電子的吸收和運動方式發(fā)生變化，避免了激光線性吸收、能量轉移和擴散等的影響，從而在根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用的機制［2］。

飛秒激光憑借固有的超短和超強特性，在微細加工中顯示出加工過程的非熱熔性、加工程度的準確性、加工尺寸的亞微米特性和3D 空間分辨性、加工材料的廣泛性以及加工能量的低耗性等5 大特征優(yōu)勢［2］。這些特征優(yōu)勢使飛秒激光得到越來越廣泛的應用。首先，利用飛秒激光可以對具有很高熱傳導性和較低熔點溫度的一般金屬如鋼、銅、鋁等進行高精度和高質(zhì)量的鉆孔加工，這一技術對于汽車工業(yè)中高清潔度燃料注射噴嘴的制作非常重要;其次，利用飛秒激光可以對一些超高硬度的材料如金剛石等進行高精度的鉆孔和切割處理，這在高功率激光器(CO2)中的輸出窗口、微透鏡和深紫外光波段的傳感等的制作中具有很高的應用價值。利用飛秒激光可以對厚度小于50 μm 的薄硅晶片進行高精度切割，這使得高集成度微電子電路的實現(xiàn)成為可能;飛秒激光可以使一些聚合復合材料發(fā)生雙光子吸收，從而引發(fā)光聚合反應，利用這一機制，結合光掃描技術，可以實現(xiàn)微納米三維制作，這一技術對于制作微傳感器、微齒輪等多種微機電系統(tǒng)具有非常重要的意義;利用飛秒激光可以對一些高爆危險品如TNT、PETN、HMX、LX 和PBX 等進行安全切割，這給火箭、炮彈以及其他武器的安全拆除帶來了新的希望;利用飛秒激光還可以對光掩模缺陷進行修復，這對于制造高質(zhì)量的集成電路芯片至關重要;此外，在激光醫(yī)療和生物工程領域，飛秒激光可以用于制作精細醫(yī)療器械(如血管支架)、超精細切割生物組織(如人眼角膜)以及對細胞和染色體的納米切割，這對于冠心病的治療、青光眼及白內(nèi)障的手術治療、活體細胞復雜功能以及轉基因技術的研究都具有特殊意義［2-10］。

要實現(xiàn)飛秒激光微細加工，飛秒激光微細加工系統(tǒng)的設計與開發(fā)居首要位置。本文設計開發(fā)了一個數(shù)控飛秒激光微細加工系統(tǒng)，能控制三維工作臺及1 個回轉工作臺的精確運動，實現(xiàn)了復雜三維型體的微細加工。本系統(tǒng)主要用于聚合復合材料的加工。

1 系統(tǒng)硬件結構與設計

1.1 系統(tǒng)總體需求分析

飛秒激光光源由泵浦激光器和鈦-藍寶石飛秒激光器產(chǎn)生。因?qū)嶋H加工中欲采用紫外光，要靠1 臺倍頻器來實現(xiàn)。另外，系統(tǒng)需采用一些輔助設備，如能量衰減鏡(調(diào)節(jié)激光功率用)、光閘(控制激光的開關)以及平面介質(zhì)膜反射鏡。為了使光聚合反應發(fā)生在低于自聚焦臨界值條件下，系統(tǒng)需配備1 臺高倍大數(shù)值孔徑的聚焦透鏡。要對整個加工過程進行監(jiān)測，就需要用到1 臺CCD 數(shù)碼攝像機。要實現(xiàn)三維微細加工，三維工作臺是必要的;此外，為便于加工三維復雜型面，還需1 個回轉工作臺。這樣，要控制1 個三維工作臺和1 個回轉工作臺就要采用1 塊具備四軸三聯(lián)動功能的運動控制卡、1 套步進電動機及其驅(qū)動器、1 臺PC機。而激光光閘的控制則需用一塊A/D、D/A 板來實現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)根據(jù)各組成部分的具體功能可分為3 個部分:光源及光路系統(tǒng)、顯微鏡和實時監(jiān)測系統(tǒng)以及計算機數(shù)控系統(tǒng)(如圖1)。

1.3 光源及光路系統(tǒng)

泵浦光源采用的是相干公司的VERDI -5，其輸出波長為532 nm 的連續(xù)光。飛秒激光器采用鈦-藍寶石飛秒激光器TFS -1，在4.2 W 泵浦源的條件下，穩(wěn)定輸出功率為560 mW，頻率為82 MHz，波長為796 nm，飛秒激光脈寬約30 fs。波長為796 nm 的激光屬于紅外飛秒激光，經(jīng)過倍頻器后波長變?yōu)?98 nm 的紫外光。為了調(diào)節(jié)激光功率，系統(tǒng)采用了能量衰減鏡。加工過程中激光的開關用光閘來實現(xiàn)。

1.4 顯微鏡和實時監(jiān)測系統(tǒng)

顯微鏡采用OLYMPUS IX-70 倒置反射熒光顯微鏡，物鏡放大倍數(shù)為100 ×，波長為398 nm 的激光脈沖經(jīng)平面介質(zhì)膜反射鏡改變方向后再經(jīng)物鏡聚焦照射到被加工材料上。CCD 數(shù)碼攝像機用來實時監(jiān)測整個微細加工過程。

1.5 計算機數(shù)控系統(tǒng)

計算機數(shù)控系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的控制核心(如圖2)。本系統(tǒng)采用普通PC 機作為硬件平臺，運動控制卡采用日本NOVA 公司生產(chǎn)的基于PCI 總線的MC8041P，它的主要功能依存于運動控制芯片MCX314。MCX314 是運用范圍廣泛的DSP 運動控制專用芯片，通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實現(xiàn)四軸三聯(lián)動的位置、速度、加/減速度等的運動控制和實時監(jiān)控，實現(xiàn)直線、圓弧、位3 種模式的軌跡插補、輸出脈沖頻率達4 MHz。每軸都有伺服反饋輸入端，4 個輸入點和8 個輸出點，能獨立地設置為恒速、線形或S 曲線加減速控制方式，并有2 個32 位的邏輯、實際位置計數(shù)器和狀態(tài)比較器，實現(xiàn)位置的閉環(huán)控制［11］。在實際使用中，用1 根I/O cable 將運動控制卡與步進電機驅(qū)動器相連，采用輸出脈沖的方式來驅(qū)動步進電機，從而實現(xiàn)工作臺的精確三維運動。本系統(tǒng)采用了日本SURUGA SEIKI 公司的1 套XYZ軸步進電機驅(qū)動平臺和1 個回轉平臺，以及與之相配套的D230 步進電機驅(qū)動器。各 軸 參 數(shù) 為:X×Y×Z(20 mm × 20 mm ×20 mm)，0.02 μm/pulse;U:0.004°/pulse。此平臺有著小體積、大剛度的特點，保證了系統(tǒng)加工精度。每根軸上內(nèi)置了限位、原點等4 個傳感器，提供硬件限位、回原點等功能，保證了系統(tǒng)運行時的安全性。

此外，在加工過程中需要用光閘來控制激光的開關，因此本系統(tǒng)還采用了1 款通用A/D、D/A 板AC6611，它具有32 路開關量輸入輸出功能(16 路輸入及16 路輸出)。只要根據(jù)工藝要求控制輸出開關量即可控制光閘。

2 系統(tǒng)控制軟件結構與開發(fā)

在飛秒激光微細加工系統(tǒng)中，控制軟件的主要作用是讀取飛秒激光微細加工專用自動編程系統(tǒng)所生成的G 代碼加工程序，控制數(shù)控工作臺的三維平動及回轉運動，控制光閘等完成飛秒激光微細加工。

2.1 控制軟件主要功能模塊

(1)預處理

三維CAD/CAM 軟件(UG、PRO -E 等)所生成的數(shù)控指令文件或快速成型系統(tǒng)所生成的控制指令文件不能直接用于該系統(tǒng)的加工，要實現(xiàn)不同系統(tǒng)產(chǎn)生代碼的轉換，需要設置預處理功能模塊。預處理功能是通過一個自行開發(fā)的編譯器實現(xiàn)。本模塊還需具備飛秒激光微細加工工藝參數(shù)設定功能，包括步進電機的初始速度、驅(qū)動速度、加速度等。

(2)實際加工

工作臺的控制:計算機向運動控制卡發(fā)送控制信號，經(jīng)過運動控制卡處理輸出到步進電機驅(qū)動器D230，從而控制工作臺的運動。

光閘控制:根據(jù)具體的工藝，要求控制光閘的開關。

實時顯示:動態(tài)顯示整個加工過程，包括加工軌跡、輸出脈沖數(shù)、讀入的G 代碼顯示等。

(3)特殊功能模塊

要加工1 個圓柱彈簧或者變螺距錐彈簧，可以采用三軸直線插補的方式，但是要達到比較高的精度很困難。為了便于加工出像圓柱彈簧或者變螺距錐彈簧這種特殊形式的工件，需采用回轉工作臺與X、Y、Z軸聯(lián)動的方式解決。

2.2 控制軟件的開發(fā)

在系統(tǒng)進行微細加工時，控制軟件要執(zhí)行控制工作臺的運動、光閘的開關、同時還要實時顯示加工過程等多任務，因此控制軟件的開發(fā)使用Windows 平臺的可視化設計工具Visual Basic(VB)與Visual C + +(VC)［12］。

軟件的組成可分為兩部分:一部分是用VC 對硬件寄存器進行編程，最后以動態(tài)鏈接庫的形式將底層硬件的復雜功能封裝起來(如運動控制卡的各種差補功能、A/D、D/A 板的開關量輸出功能)，形成硬件設備驅(qū)動程序，這樣做可以大大方便以后對硬件功能的調(diào)用。另一部分是用VB 開發(fā)的面向用戶操作的軟件，這是對整個系統(tǒng)控制的實現(xiàn)部分，除了必須具備上述主要功能模塊外，還需提供給用戶友好的界面［13］。

工作臺控制的實現(xiàn):讀取飛秒激光微細加工專用自動編程系統(tǒng)所生成的G 代碼加工指令或經(jīng)預處理模塊處理的三維CAD/CAM 軟件所生成數(shù)控指令文件或快速成型系統(tǒng)所生成的控制指令文件，并對G 代碼進行字符串處理，識別出相應的功能，同時將數(shù)據(jù)轉換成脈沖數(shù)。通過調(diào)用運動控制卡的差補功能，采用輸出脈沖的方式控制電動機運轉，實現(xiàn)工作臺的三維運動。

下面以實現(xiàn)加工變螺距錐彈簧為例，說明控制系統(tǒng)實現(xiàn)工作臺控制的機理。該系統(tǒng)采用回轉工作臺U軸與X、Y軸聯(lián)動的方式，再調(diào)用三軸插補運算即可實現(xiàn)。

光閘控制的實現(xiàn):飛秒激光微細加工專用自動編程系統(tǒng)所生成的G 代碼中包含了光閘控制語句，經(jīng)讀取后識別，再調(diào)用輸出開關量函數(shù)輸出相應的開關量，從而實現(xiàn)光閘控制。例如:

3 結語

飛秒激光作為一種新型的制造手段，在微細加工方面有著廣闊的應用前景。其超短和超強的特性可以避免傳統(tǒng)激光加工中熱影響區(qū)大的缺點，同時又可以在聚合復合材料內(nèi)部激發(fā)雙光子吸收。本文所開發(fā)的飛秒激光微細加工系統(tǒng)已經(jīng)投入實際使用，加工試樣如圖3 所示。經(jīng)過對飛秒激光微細加工系統(tǒng)在實際使用中表現(xiàn)出來的各方面性能的分析，本系統(tǒng)具有操作簡單、人機界面友好、加工精度高、功能強、開放性的優(yōu)點，具備了較強的加工能力。

此外，針對飛秒激光微細加工對象尺寸小的特點，還有待開發(fā)一種自動工件傳送裝置，該裝置可避免手工放置工件時誤差大、可靠性差的缺點，可進一步提高系統(tǒng)的精度和可操作度。目前各方面正在積極準備中。

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