一種基于多軸對稱激光束的微探針尖端熱成形系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及微探針尖端加工制造領域，特別涉及一種基于多軸對稱激光束的微探針尖端熱成形系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]微探針尖端激光加熱成形技術主要有單光束加熱和雙光束加熱兩種方式。單光束加熱方法從微探針的一側進行加熱，依靠熱量的傳遞對探針尖端進行成形加工。由于熱傳遞的梯度變化，探針尖端在受熱融化成形過程中應力分布不均勻，探桿易彎曲，針尖易變形。雙光束加熱方法從微探針軸線某方位的相對兩側進行熱加工，能夠提高探針尖端熱應力分布的均勻性，減小探桿的彎曲與針尖的變形。然而在超精密與精密形貌質量檢測時，要求探針尖端具有微米甚至更高的幾何形貌精度，雙光束加熱方法所帶來的微小彎曲與變形使得探針尖端的幾何形貌精度達不到微米級的精度要求。

【發(fā)明內容】

[0003]為解決以上微探針尖端成形加工技術中存在的缺陷，提高微探針尖端的球形質量，本發(fā)明介紹了一種基于多軸對稱激光束的微探針尖端熱成形系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的具體技術方案詳見下文描述:
[0004]本加工成形系統(tǒng)，主要由激光模塊、多軸對稱光路模塊、在線監(jiān)測模塊、探針位置調整模塊、信號分析處理模塊和激光防護模塊組成。所述的激光模塊為CO2激光器(I)，所述的CO2激光器(I)的控制端口連接信號分析處理模塊(II)，其光源端口發(fā)出CO2激光沿Y軸方向傳播并進入所述的多軸對稱光路模塊。
[0005]所述的多軸對稱光路模塊包括:激光指不器(2)、合束鏡(3)、第一分光鏡(4)、第二分光鏡(5-1)、第三分光鏡(5-2)、第一反射鏡(6-1)、第二反射鏡(6-2)、第三反射鏡(6-3)、第四反射鏡(6-4)、第五反射鏡(6-5)、第六反射鏡(6-6)和第七反射鏡(6-7)等。其特征是:上述光學器件的中心都在X-Y平面，激光指示器(2)的軸線與X軸平行并通過合束鏡(3)的光學中心，所述的合束鏡(3)、第一分光鏡(4)，第二分光鏡(5-1)、第三分光鏡(5-2)和第三反射鏡(6-3)沿Y軸方向從左向右依次排列。
[0006]所述的第一反射鏡(6-1)位于第一分光鏡(4)的X軸正方向，兩者中心連線平行于X軸;第二反射鏡(6-2)位于第三反射鏡(6-3)的X軸正方向，兩者中心連線平行于X軸;第一反射鏡(6-1)與第二反射鏡(6-2)的中心連線平行于Y軸；第四反射鏡(6-4)、第五反射鏡(6-
5)、第六反射鏡(6-6)和第七反射鏡(6-7)的中心形成一個正方形，所述的正方形的幾何中心位置位于坐標原點O處其四條邊分別平行于X軸與Y軸。
[0007]所述的CO2激光器(I)發(fā)出0)2激光并沿Y軸通過合束鏡(3)，然后被第一分光鏡(4)與第一反射鏡(6-1)分為兩束沿Y方向傳播的平行激光;此兩束平行激光經(jīng)過光路子模塊(由第二分光鏡(5-1)、第四反射鏡(6-4)與第五反射鏡(6-5)構成)與光路子模塊(由第二反射鏡(6-2)、第三反射鏡(6-3)、第三分光鏡(5-2)、第六反射鏡(6-6)與第七反射鏡(6_7)構成)形成相對于Z方向對稱的四束激光匯聚在探針毛坯(8)的尖端a處。
[0008]所述的在線監(jiān)測模塊為一種顯微成像設備(7)，其特征是:所述的顯微成像設備
(7)主要包括顯微成像鏡頭和圖像傳感器陣列，所述的圖像傳感器陣列通常為CCD器件或CMOS器件中的一種。所述的顯微成像設備(7)的鏡頭對準待加工的微探針毛坯(8)的尖端，設備輸出端接入信號分析處理模塊(11)，能夠將微探針毛坯尖端加工成形的實時信息傳輸給信號分析處理模塊(11)，實現(xiàn)在位操作的可視化。
[0009]所述的探針位置調整模塊包括支架(9)和位移平臺(10)，其特征是:所述的支架
[9]夾持待加工微探針毛坯(8)，并固定在位移平臺(10)上。所述的位移平臺(10)為三維精密位移電動平臺，其控制端與信號分析處理模塊(11)連接，待加工微探針毛坯(8)的空間位置通過位移平臺(10)進行調整；
[0010]所述的信號分析處理模塊為一種具有數(shù)字信號處理能力的計算機系統(tǒng)(11)，其特征是:該計算機系統(tǒng)(11)分別與CO2激光器(I)、顯微成像設備(7)和位移平臺(10)連接。所述的顯微成像設備(7)采集探針尖端幾何形貌并傳送給計算機系統(tǒng)(11)，計算機系統(tǒng)(11)分析計算探針尖端形貌的幾何精度，并根據(jù)分析結果調節(jié)CO2激光器(I)的輸出功率和作用時間，同時調整位移平臺(10)的空間位置，形成新的加工方案，有利于提高探針尖端加工成形的質量和效率。
[0011]所述的激光防護模塊為防護罩(12)，其特征是:所述的防護罩(12)由五塊CO2激光專用防護板構成，罩在整個激光光路經(jīng)過的區(qū)域，防止CO2激光的偏移和散射對操作人員造成傷害。
[0012]如上所述的一種基于多軸對稱激光束的微探針尖端熱成形系統(tǒng)，更進一步說明為，所述的合束鏡(3)的中心平面垂直于X-Y面且與Y-Z面成45度角設置，在靠近CO2激光器
(I)的一側表面涂覆有針對CO2激光的增透涂層，在靠近激光指示器(2)的一側表面涂覆有針對指示激光的增強反射涂層。
[0013]如上所述的一種基于多軸對稱激光束的微探針尖端熱成形系統(tǒng)，更進一步說明為，所述的第一分光鏡(4)對CO2激光和指示激光都具有相同的反射能力和透射能力，可在X-Y平面內將所述的CO2激光和指示激光都分成兩束夾角為90度且能量相同的激光。
[0014]所述的第二分光鏡(5-1)和第三分光鏡(5-2)為兩個完全相同的分光鏡，位于Y軸上且關于X-Z面對稱設置，用來將激光分為兩束與Y軸具有相同夾角且關于Y軸對稱傳播的激光。
[0015]所述的第一至第七反射鏡為七個完全相同的反射鏡，其中第一至第三反射鏡組合使用，改變所述的激光的傳播方向。第四至地七反射鏡組合使用，使所述的四束激光匯聚到探針毛坯(8)尖端a處。
[0016]如上所述的一種基于多軸對稱激光束的微探針尖端熱成形系統(tǒng)，更進一步說明為，本系統(tǒng)使用的CO2激光為具有較高能量且不可見的紅外光，容易對人身造成傷害，在光路調節(jié)時不能直接使用。為此基于等效替換的原則，本系統(tǒng)采用能量較低且可見的指示激光代替CO2激光進行光路調節(jié)。其原理是:CO2激光器(I)發(fā)出的CO2激光進入合束鏡(3)中心后發(fā)生透射將繼續(xù)沿Y軸傳播，激光指示器(2)發(fā)出的與X軸平行的指示激光進入合束鏡(3)的中心后發(fā)生反射同樣沿Y軸傳播，這樣經(jīng)過合束鏡(3)后CO2激光和指示激光的傳播路徑重合，并且兩束激光的后續(xù)傳播光路完全相同。因此只需利用指示激光對光路進行調節(jié)，就能夠獲得利用CO2激光對光路進行調節(jié)的相同效果。
[0017]與已有的基于激光加熱方式的微探針尖端成形方法相比，本發(fā)明帶來的有益效果是:
[0018]所述的CO2激光具有較高的能量，利用多軸對稱CO2激光束對探針尖端進行加熱可使探針尖端均勻受熱，保證熱應力分布平衡;短時間加熱后，探針尖端軟化流動，在表面張力和內部應力作用下形成具有較高幾何與形貌精度的探針尖端;有效地提高了探針尖端加工成形的質量和效率。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明一種基于多軸對稱激光束的微探針尖端熱成形系統(tǒng)整體結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0021]如圖1所示:本發(fā)明涉及一種基于多軸對稱激光束的微探針尖端熱成形系統(tǒng)，包括:C02激光器1、激光指不器2、合束鏡3、第一分光鏡4、第二分光鏡5-1、第三分光鏡5-2、第一反射鏡6-1、第二反射鏡6-2、第三反射鏡6-3、第四反射鏡6-4、第五反射鏡6-5、第六反射鏡6-6、第七反射鏡6-7、顯微成像設備7、微探針毛坯8、支架9、位移平臺10、計算機系統(tǒng)11和防護罩12等。
[0022]所述的CO2激光器I的控制端口與所述的計算機系統(tǒng)11連接，其光源端口發(fā)出CO2激光沿Y軸方向傳播并進入所述的合束鏡2的中心。所述的激光指示器2、合束鏡3、第一分光鏡
4、第二分光鏡5-1、第三分光鏡5-2、第一反射鏡6-1、第二反射鏡6-2、第三反射鏡6-3、第四反射鏡6-4、第五反射鏡6-5、第六反射鏡6-6和第七反射鏡6-7的中心位于X-Y平面。激光指示器(2)的軸線與X軸平行并通過合束鏡(