專利名稱：掃描電子顯微鏡用光闌的紫外激光加工系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及到光闌、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)。 技術(shù)背景目前，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15 y m到300 u m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300um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)和加工技術(shù)。 實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為了克服上述的微孔和小孔光闌加工技術(shù)所遇到的 問(wèn)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)。該系統(tǒng)具有精 度高、速度快等優(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)中的/一^聚焦透鏡聚焦到通過(guò)夾具5固定在工作臺(tái)上的被加工材料鉬薄片4上。
所述的激光器1的波長(zhǎng)為157nm 390nm，激光器1的脈沖重復(fù)頻率的調(diào) 節(jié)范圍為1Hz 15KHz。
所述的被加工材料鉬薄片4是厚度在10 u m 0. 5mm之間的純鉬或者鉬合 金薄片，也可以是其他各種金屬，陶瓷以及其他的一些非金屬材料或者復(fù)合 材料。
所述的工作臺(tái)6是三維精密移動(dòng)工作臺(tái)。
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。
本實(shí)用新型不僅適用于加工掃描電子顯微鏡用光闌，而且適用于加工通 光或通電子束等的各種光闌。
本實(shí)用新型的優(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)，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15 u m到300 u m之間的各種孔徑光闌，尤其是加工15 " m到50 " m之間的 微孔，解決了目前微孔難以加工的問(wèn)題。激光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)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、下金屬塊。
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/ 一 S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50mmX40ram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10， 中間也是50irnnX40imii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15" m到300um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(kāi)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15 " m和32 u m之間的微孔；
④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23nm到50um之間的微孔。此處所指離焦量是指鉬片上表面和聚焦激光束焦點(diǎn)之間的距離。
其中激光器的脈沖重復(fù)頻率是在1Hz到15KHz之間可調(diào)；離焦量是在0 ram到 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15tim 和23um之間的微孔，采用激光器脈沖重復(fù)頻率在200Hz到500Hz之間進(jìn)行 加工；對(duì)于孔徑在23 P m和27 u m之間的微孔，采用采用激光器脈沖重復(fù)頻 率在500Hz到1500Hz之間進(jìn)行加工；對(duì)于孔徑在27 u m禾口 32 y m之間的微孔， 采用采用激光器脈沖重復(fù)頻率在1500Hz到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 u m和30 n m之間的微孔，采用離焦量在Omm到l醒之間進(jìn)行加工，對(duì)于孔 徑在30 u m禾[l 50 u m之間的微孔，采用離焦量在lmm到2. 5ram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(kāi)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(kāi)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，得到所需要的各種孔徑的光闌。其中掃 描速度可以在0.01訓(xùn)'s—'和10 mm's—1之間可調(diào)。加工的孔徑是在50 " m到 500 u m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500um和lOmm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0. 10mms—、脈沖重復(fù)頻率為1000Hz時(shí)，切割的速度為0. 22畫(huà)s—'; 脈沖重復(fù)頻率為1500Hz時(shí)，切割的速度為0. 35mms—、脈沖重復(fù)頻率為2000Hz 時(shí)，切割的速度為0.42mms—、脈沖重復(fù)頻率為2500Hz時(shí)，切割的速度為0. 48rams—脈沖重復(fù)頻率為3000Hz時(shí)，切割的速度為0. 65mms—、脈沖重復(fù)頻 率為3500Hz時(shí)，切割的速度為O. 80mms—、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 15 y m至(J 300 u m之間的各種孔徑光闌，尤其是加工15 u m至lj 50 u m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)中的/ — ^聚焦透鏡聚焦到通過(guò)夾具(5)固定在工作臺(tái)上的被 加工材料鉬薄片(4)上。
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加工系統(tǒng)，其特 征在于所述的激光器(1)的波長(zhǎng)為157nm 390nm，激光器(1)的脈沖重 復(fù)頻率的調(diào)節(jié)范圍為1Hz 15KHz。
3、 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加工系統(tǒng)，其特 征在于所述的被加工材料鉬薄片(4)是厚度在10um 0. 5mm之間的純鉬 或者鉬合金薄片，也可以是其他各種金屬，陶瓷以及其他的一些非金屬材料 或者復(fù)合材料。
4、 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加工系統(tǒng)，其特 征在于所述的工作臺(tái)(6)是三維精密移動(dòng)工作臺(tái)。
5、 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。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種掃描電子顯微鏡用光闌的紫外激光加工系統(tǒng)，主要由紫外激光器(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)構(gòu)成。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)振鏡系統(tǒng)的折返鏡后光束變?yōu)樨Q直向下，并經(jīng)振鏡系統(tǒng)中的f-θ聚焦透鏡聚焦到工作臺(tái)上并固定在夾具(5)中的鉬薄片(4)上，采用激光微鉆孔和激光微切孔兩種方法加工15μm到300μm范圍內(nèi)的微孔和小孔。本實(shí)用新型利用高功率紫外激光微加工的優(yōu)勢(shì)和振鏡系統(tǒng)的精密掃描對(duì)鉬薄片進(jìn)行微加工，充分發(fā)揮了紫外激光在微加工領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)B23K26/38GK201154415SQ20072017328
公開(kāi)日2008年11月26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)