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(jī)、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(lái)越廣泛。但是對(duì)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(jí)的微孔加工難度是非常大 的。而用來(lái)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(gè)孔徑大小的微孔和小孔。普遍采用 機(jī)械加工方式對(duì)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(lái)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(duì)不同孔徑制 造相對(duì)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(duì)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(wèn)題是針對(duì)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(diǎn)。
為了實(shí)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(jì)算機(jī)2、掃描振鏡系統(tǒng)3、鉬薄片4、夾具5和工作臺(tái)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(guò)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(guò)夾具5固定在工作臺(tái)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(lái)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(tái)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(diǎn)位置；2) 打開紫外激光器1和計(jì)算機(jī)2，用計(jì)算機(jī)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(duì)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(duì)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(duì)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(lái)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(tái)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(diǎn)位置；2) 打開紫外激光器1和計(jì)算機(jī)2，用計(jì)算機(jī)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(lái)加工微孔；
離焦量的具體調(diào)節(jié)方法為
對(duì)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(duì)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(tái)不動(dòng)，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(lái)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(tái)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(diǎn)位置；
2) 打開計(jì)算機(jī)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(gè) 小孔孔徑大小；
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(duì)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(duì)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(shí)，切割的速度為O.lOmms-l; 脈沖重復(fù)頻率為1000Hz時(shí)，切割的速度為0.22mms-1;脈沖重復(fù)頻率為1500Hz 時(shí)，切割的速度為0.35mms-l; 脈沖重復(fù)頻率為2000Hz時(shí)，切割的速度為 0.42mms-l;脈沖重復(fù)頻率為2500Hz時(shí)，切割的速度為0.48mms-l;脈沖重 復(fù)頻率為3000Hz時(shí)，切割的速度為0.65mms-l;脈沖重復(fù)頻率為3500Hz時(shí)， 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(gè)封閉的區(qū)域形成孔。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)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(lái)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(wèn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。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(jiǎn)圖； 圖2是夾具的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；其中1、紫外激光器；2、計(jì)算機(jī)；3、掃描振鏡系統(tǒng)；4、被加工 材料鉬薄片；5、夾具；6、工作臺(tái)；7、激光束、8、螺絲；9、上金屬塊； 10、上金屬塊。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖l、圖2詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例包括有波長(zhǎng)為355nm的紫外激光器1、計(jì)算機(jī)2、 掃描振鏡系統(tǒng)3、鉬薄片4、夾具5和工作臺(tái)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(guò)計(jì) 算機(jī)中的振鏡控制軟件控制反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束X， Y方向的精密掃描，經(jīng)過(guò)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(guò)出光口的/ —6聚焦透鏡聚焦到鉬薄片4上，鉬薄片通過(guò)夾具5固定在三維精密移動(dòng)工作 臺(tái)上面。三維精密移動(dòng)工作臺(tái)也可以是單一Z向精密移動(dòng)工作臺(tái)。如圖2所示，本實(shí)施例中的夾具5由上下兩塊70mmX60mm的中空的厚 金屬塊和四個(gè)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(lái)作為加工區(qū)域，四個(gè)角有四個(gè)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(gè)角的相應(yīng)位置的通孔改為
螺紋通孔；激光加工時(shí)鉬薄片4被夾在兩塊厚金屬塊之間，四個(gè)螺絲8把上下兩個(gè)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(shí)兩個(gè)厚金屬塊有足 夠的重量保證加工過(guò)程中鉬薄片的位置不發(fā)生變化。對(duì)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(duì)鉬薄片光闌進(jìn)行加工。其中微鉆孔是指保持光與工作臺(tái) 不動(dòng)，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(gè)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(jì)算機(jī)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(tái)6按照上述方法搭建好；② 調(diào)整工作臺(tái)5，使得鉬薄片4的上表面位于聚焦激光束焦點(diǎn)位置；③ 打開激光器1和計(jì)算機(jī)2，用計(jì)算機(jī)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(lái)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(lái)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(diǎn)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(shí)，保持鉬薄片在激光束焦點(diǎn)位置，對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)，保持激光脈沖重復(fù)頻率為500Hz，對(duì)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(duì)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(jì)算機(jī)2、掃描振鏡系統(tǒng)3、被加工材料鉬片4和工作 臺(tái)5按上述方法搭建好；② 調(diào)整工作臺(tái)5使得鉬片4上表面位于聚焦激光束焦點(diǎn)位置；③ 打開計(jì)算機(jī)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(gè) 小孔孔徑大小；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(duì)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(duì)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(shí)， 切割的速度為O.lOmms-l;脈沖重復(fù)頻率為1000Hz時(shí)，切割的速度為 0.22mms-l;脈沖重復(fù)頻率為1500Hz時(shí)，切割的速度為0.35mms-l; 脈沖重 復(fù)頻率為2000Hz時(shí)，切割的速度為0.42mms-l;脈沖重復(fù)頻率為2500Hz時(shí)， 切割的速度為0.48mms-l;脈沖重復(fù)頻率為3000Hz時(shí)，切割的速度為 0.65mms-l;脈沖重復(fù)頻率為3500Hz時(shí)，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(lái)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(wèn)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(jì)算機(jī)(2)、掃描振鏡系統(tǒng)(3)、鉬薄片(4)、夾具(5)和工作臺(tái)(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(guò)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(guò)夾具(5)固定在工作臺(tái)(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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(lái)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(tái)(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(diǎn)位置；2) 打開紫外激光器(1)和計(jì)算機(jī)(2)，用計(jì)算機(jī)(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(duì)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(duì)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(duì)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(lái)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(tái)(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(diǎn)位置；2) 打開紫外激光器(1)和計(jì)算機(jī)(2)，用計(jì)算機(jī)(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(lái)加工微孔;離焦量的具體調(diào)節(jié)方法為對(duì)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(duì)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(lái)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(tái)(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(diǎn)位置；2) 打開計(jì)算機(jī)(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(gè)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(duì)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(duì)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(shí)，切割的速度為O.lOmms-l;脈沖重復(fù)頻率 為1000Hz時(shí)，切割的速度為0.22mms-l;脈沖重復(fù)頻率為1500Hz時(shí)，切割 的速度為0.35mms-l;脈沖重復(fù)頻率為2000Hz時(shí)，切割的速度為0.42mms-l; 脈沖重復(fù)頻率為2500Hz時(shí)，切割的速度為0.48mms-l;脈沖重復(fù)頻率為3000Hz 時(shí)，切割的速度為0.65mms-l;脈沖重復(fù)頻率為3500Hz時(shí)，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(jì)算機(jī)、掃描振鏡系統(tǒng)、被加工材料鉬薄片、工作臺(tái)和夾具構(gòu)成，通過(guò)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(duì)于15μm～50μm的微孔采用微鉆孔方法加工，把鉬薄片放在焦點(diǎn)位置，通過(guò)調(diào)整激光脈沖重復(fù)頻率或者調(diào)節(jié)離焦量來(lái)加工；對(duì)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(diǎn)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(duì)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(hào)B23K26/38GK101131470SQ20071012210
公開日2008年2月27日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)