一种激光微结构高效加工及精密测量的方法和装置

1.本发明属于激光精密加工及光学精密监测领域，具体涉及一种提高位移传感误差精度实现激光微结构高效加工及精密测量的方法和装置。


背景技术：

2.科技发展的突飞猛进，使人们的认知迅速进入了微观世界，微纳制造技术的不断更新迭代以及加工工艺的提升，小型化、紧促型、多功能及低功耗的微纳器件已经逐渐出现并发挥着极其重要的作用，人造皮肤、可穿戴系统、微型手术机器人等以微纳元件为基础的微纳系统已经深入到人们生活的方方面面。然而微纳制造中精细加工、监测手段的不足和单一化，限制了微纳制造器件尺寸精度和器件性能的进一步提升。激光加工因其加工精细度高，材料适应性广，非掩模的加工技术，因此在加工复杂微器件样品结构方面具有重要作用。微器件结构的精细加工取决于对加工原理的理解以及加工工艺的提升，而加工工艺的提升重要依赖于精密的微位移控制和加工过程中微结构的几何参数的实时原位测量。因此，提高精密的微位移控制和加工过程中微结构的几何参数的实时原位测亟待解决。
3.目前，精密的微位移控制装置主要分为基于电容传感器的位移台以及伺服电机位移驱动控制模块装置，电容传感器的位移台受到非线性误差影响，因此精度受到一定制约，此外它的整体位移行程又比较短，因此对于大尺度的微器件加工并不适用。伺服电机位移驱动控制模块装置可以通过纳米级的驱动控制模块单元实现纳米级驱动，但是他同样存在非线性误差以及实现闭环反馈位置的光栅尺等外部误差影响。
4.综上所述，可以通过高精密的微位移测量装置实现对基于电容传感器的位移台以及伺服电机位移驱动控制模块装置的闭环控制并反馈到上位机做进一步处理和补偿。此外，在加工过程中实现待加工器件的原位几何参数测量并实时反馈上位机做加工参数修正显得极为重要。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的是提供一种激光微结构高效加工及精密测量的方法和装置，能够同步实现对激光微结构的加工及精密测量，且能够提高位移传感误差精度，进而提高三维激光微结构的加工精度和测量精度。本发明还具有如下优点：整体结构鲁棒性强、稳定性高，抗外界撞击扰动。
6.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
7.本发明在z方向进行定焦和测量时，通过一对标准激光干涉仪镜组模块对称分布放置在z向气浮运动轴模块中心的两侧，一方面能够有效避免运动传感器的阿贝误差；另一方面，成对出现的标准激光干涉仪镜组模块将会对z向运动的微小位移进行放大，有效的减小位移误差，提高z向加工和监测的精度。
8.同时采用稳定性好的龙门结构，并利用运动控制模块和标准激光干涉仪及其镜组模块，通过对载物台上的高精度l形标准平晶的反射光探测计算后由上位机进行运动控制
和误差补偿，实现对x/y向气浮运动轴模块的运动姿态的精确调整和定位，实现x/y平面内的高精度微位移移动。同时利用抗表面倾角变化和抗散射变化的激光差动共焦定焦模块进行z向位置探测，实现微尺度器件的高精度加工和测量。
9.本发明公开的一种激光微结构高效加工及精密测量的方法，包括以下步骤：
10.步骤一：具有正交特性偏振态的激光干涉仪激光头通过分光棱镜和y向反射镜组和z向反射镜组分成多束光分别入射到x向标准激光干涉仪镜组模块、y向标准激光干涉仪镜组模块和z向标准激光干涉仪镜组模块。x向标准激光干涉仪镜组模块、y向标准激光干涉仪镜组模块通过对入射光调制后入射到标准l形平晶上发生反射并被x/y向标准激光干涉仪镜组模块再次接收并反馈给标准激光干涉仪。当x向气浮运动轴模块和y向气浮运动轴模块发生位移时，通过对高精度l形标准平晶的反射光探测计算后，由上位机进行运动控制和误差补偿，对x/y向气浮运动轴模块的运动姿态的精确调整和定位；实现在xy平面内的精密微位移控制；
11.其中，位于基台上两侧的x向气浮运动轴模块必须保持平行放置，y向气浮运动轴模块必须和x向气浮运动轴模块保持正交；上位机通过运动控制驱动系统实现x/y向气浮运动轴模块的精密运动控制；
12.用于监测x/y向气浮运动轴模块的标准激光干涉仪模块，在分束后的激光干涉仪入射光通过偏振分光棱镜后，与入射面平行的p偏振态光将继续传播到达角锥棱镜实现光传播方向反向，最后再通过偏振分光棱镜被探测器探测，作为标准激光干涉仪模块计算的参考光；而与入射面垂直的s偏振态光在偏振分光棱镜发生反射，在通过上侧1/4波片到达反射镜后再次通过上侧1/4波片后向下传播，此时，入射面垂直的s偏振态光变成p偏振态光，再次通过偏振分光棱镜将完全透射并向下方传播；p偏振态光经下侧1/4波片并到达l形平晶发生反射并再次通过下侧1/4波片后向上传播，此时，入射面平行的p偏振态光变成s偏振态光。经过偏振分光棱镜并被反射到角锥棱镜改变传播方向，被反向的s偏振态光再次传播到偏振分光棱镜并发生反射；s偏振态光通过下侧1/4波片到达l形平晶发生反射后再次通过下侧1/4波片后向上传播，此时，s偏振态光变成p偏振态光，再次到达偏振分光棱镜后将完全透射并向上方传播；p偏振态光在经过上侧的1/4波片和反射镜反射后再次通过上侧的1/4波片后向下传播，此时，p偏振态光变成s偏振态光。并在偏振分光棱镜发生反射并最终被探测器探测，作为标准激光干涉仪模块计算的测量光；以上过程将会对微小位移实现精密测量；通过标准激光干涉仪模块监测标定x/y向气浮运动轴模块的运动误差，并将结果写入上位机补偿，实现x/y向精密运动；
13.步骤二：到达z向的标准激光干涉仪入射光将通过2个沿着z向气浮运动轴模块对称分布的z向标准激光干涉仪镜组模块发生调制后入射到搭载在z向气浮运动轴模块上的反射镜组(z向)发生反射并被z向标准激光干涉仪镜组模块再次接收并反馈给标准激光干涉仪。监测z向气浮运动轴模块位移的整体光线行进轨迹过程为步骤一中单个标准激光干涉仪镜组模块的光程重复两次。当z向气浮运动轴模块发生位移时，通过上位机控制实现实时运动姿态的测量调整和补偿；
14.其中，沿着z向气浮运动轴模块对称分布的z向标准激光干涉仪镜组模块，在和z向气浮运动轴模块同步移动过程当中，一方面，沿着z向气浮运动轴模块对称分布的z向标准激光干涉仪镜组模块，有效避免运动传感器的阿贝误差，此外，相比于单个标准激光干涉仪
镜组模块，因为对z向位移进行了放大，因此微小的误差得到放大，通过将误差采集写入上位机运动控制模块，能够进一步对z向误差进行补偿处理；实现z向气浮运动轴模块的精密运动控制；
15.步骤三：通过上位机控制激光器模块，实现激光的不同参数的调制；激光通过物镜聚焦到达样品表面，实现微结构的加工；
16.步骤四：使用抗表面倾角变化和抗散射变化的激光差动共焦定焦模块用来实现对加工器件的z向进行监测，实现器件在加工的同时的原位几何参数测量；实现z向精密运动；
17.步骤五：重复步骤一到四，利用上位机多线程对标准激光干涉仪及其镜组模块、运动控制模块和抗表面倾角变化和抗散射变化的激光差动共焦定焦模块以及激光器模块实时控制调整，实现对三维激光微结构单点的高精密加工同时实现微结构几何参数的原位测量；
18.步骤六：如图4所示，重复步骤一至五，在载物台上的三维激光微结构样品从点a开始扫描加工和监测，按照预设加工轨迹实现对三维激光微结构样品的高精密加工和原位参数测量。
19.有益效果：
20.1、本发明公开的一种激光微结构高效加工及精密测量的方法和装置，在z方向进行定焦和测量时，通过一对标准激光干涉仪镜组模块对称分布放置在z向气浮运动轴模块中心的两侧，一方面能够有效避免运动传感器的阿贝误差；另一方面，相对于单个的标准激光干涉仪镜组模块，成对出现的标准激光干涉仪镜组模块将会对z向运动的微小位移进行放大，有效的减小微位移测量误差，提高z向加工和监测的精度。
21.2、本发明公开的一种激光微结构高效加工及精密测量的方法和装置，利用上位机多线程对标准激光干涉仪及其镜组模块、运动控制模块、抗表面倾角变化和抗散射变化的激光差动共焦定焦模块以及激光器模块实时控制调整，实现对三维激光微结构单点的高精密加工同时实现参数的原位测量，提高微器件的加工精度和监测效率。
22.3、本发明公开的一种激光微结构高效加工及精密测量的方法和装置，采用稳定性好的龙门结构，并利用运动控制模块和标准激光干涉仪及其镜组模块，通过对载物台上的高精度l形标准平晶的反射光探测计算后由上位机进行运动控制和误差补偿，实现对x/y向气浮运动轴模块的运动姿态的精确调整和定位，实现xy平面内的高精度微位移移动。同时利用抗表面倾角变化和抗散射变化的激光差动共焦定焦模块进行轴向位置探测，实现微尺度器件的高精度加工和测量。
23.4、本发明公开的一种激光微结构高效加工及精密测量的方法和装置，利用激光差动共焦过零触发，实现三维激光微结构的纳米精度扫描进行参数测量。
附图说明
24.图1为本发明装置整体示意图；
25.图2为本发明x/y向标准激光干涉仪镜组模块光路示意图；
26.图3为本发明z向标准激光干涉仪镜组模块光路示意图；
27.图4为本发明加工及监测扫描示意图；
28.图中：1-激光干涉仪激光头、2-固定基台、3-龙门支撑架、4-x向气浮运动轴模块、
5-y向标准激光干涉仪镜组模块、6-y向反射镜组、7-分光棱镜、8-x向标准激光干涉仪镜组模块、9-z向反射镜组、10-激光差动共焦定焦模块、11-加工激光源、12-z向2个标准激光干涉仪镜组模块、13-反射镜组(z向)、14-z向气浮运动轴模块、15-物镜、16-标准l形平晶、17-载物台、18-y向气浮运动轴模块、19-上位机。
29.101-标准激光干涉仪激光源、102-反射镜、103-1/4波片、104-角锥反射镜、16-l形标准平晶、105-偏振分光棱镜、201-标准激光干涉仪激光源、202-反射镜组、203-1/4波片、204-角锥反射镜、13-反射镜组(z向)、205-固定反射镜组(z向)的固定座、206-偏振分光棱镜组。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
31.如1所示，本实施例公开的激光微结构高效加工及精密测量的方法，具体实现步骤如下：
32.步骤一：具有正交特性偏振态的激光干涉仪激光头1通过分光棱镜7和y向反射镜组6和z向反射镜组9分成3束光分别入射到x向标准激光干涉仪镜组模块5、y向标准激光干涉仪镜组模块8和z向标准激光干涉仪镜组模块12。x向标准激光干涉仪镜组模块、y向标准激光干涉仪镜组模块通过对入射光调制后入射到标准l形平晶16上发生反射并被x/y向标准激光干涉仪镜组模块再次接收并反馈给标准激光干涉仪。当x向气浮运动轴模块4和y向气浮运动轴模块18发生位移时，通过对高精度l形标准平晶的反射光探测计算后，由上位机进行运动控制和误差补偿，对x轴和y轴的运动姿态的精确调整和定位。实现在xy平面内的精密微位移控制。
33.其中，位于基台2上两侧的x向气浮运动轴模块4必须保持平行放置，y向气浮运动轴模块18必须和x向气浮运动轴模块保持正交。上位机19通过运动控制驱动系统实现x/y向气浮运动轴模块的精密运动控制。
34.如图2所示，用于监测x/y向气浮运动轴模块的标准激光干涉仪模块，在分束后的激光干涉仪入射光101通过偏振分光棱镜105后，与入射面平行的p偏振态光将继续传播到达角锥棱镜104实现光传播方向反向，最后再通过偏振分光棱镜105被探测器探测，作为标准激光干涉仪模块计算的参考光；而与入射面垂直的s偏振态光在偏振分光棱镜105发生反射，在通过上侧1/4波片103到达反射镜102后再次通过上侧1/4波片103后向下传播，此时，入射面垂直的s偏振态光变成p偏振态光，再次通过偏振分光棱镜105将完全透射并向下方传播；p偏振态光经下侧1/4波片103并到达l形平晶16发生反射并再次通过下侧1/4波片103后向上传播，此时，入射面平行的p偏振态光变成s偏振态光。经过偏振分光棱镜105并被反射到角锥棱镜104改变传播方向，被反向的s偏振态光再次传播到偏振分光棱镜105并发生反射；s偏振态光通过下侧1/4波片103到达l形平晶16发生反射后再次通过下侧1/4波片103后向上传播，此时，s偏振态光变成p偏振态光，再次到达偏振分光棱镜105后将完全透射并向上方传播；p偏振态光在经过上侧的1/4波片103和反射镜102反射后再次通过上侧的1/4波片103后向下传播，此时，p偏振态光变成s偏振态光。并在偏振分光棱镜105发生反射并最终被探测器探测，作为标准激光干涉仪模块计算的测量光；以上过程将会对微小位移实现精密测量；通过标准激光干涉仪模块监测标定x/y向气浮运动轴模块的运动误差，并将结果
写入上位机补偿，实现x/y向精密运动；
35.步骤二：到达z向的标准激光干涉仪入射光将通过2个沿着z向气浮运动轴模块14对称分布的z向标准激光干涉仪镜组模块12发生调制后入射到搭载在z向气浮运动轴模块上的反射镜组(z向)13发生反射并被z向标准激光干涉仪镜组模块14再次接收并反馈给标准激光干涉仪。监测z向气浮运动轴模块位移的整体光线行进轨迹过程为步骤一中单个标准激光干涉仪镜组模块的光程重复两次，如图3所示。当z向气浮运动轴模块发生位移时，通过上位机控制实现实时运动姿态的测量调整和补偿；
36.其中，沿着z向气浮运动轴模块对称分布的z向标准激光干涉仪镜组模块12，在和z向气浮运动轴模块同步移动过程当中，一方面，沿着z向气浮运动轴模块对称分布的z向标准激光干涉仪镜组模块，有效避免运动传感器的阿贝误差，此外，相比于单个标准激光干涉仪镜组模块，因为对z向位移进行了放大，因此微小的误差得到放大，通过将误差采集写入上位机运动控制模块，可以进一步对z向误差进行补偿处理，实现z向气浮运动轴模块的精密运动控制。
37.步骤三：通过上位机19控制激光器模块11，实现激光的不同参数的调制。激光通过物镜15聚焦到达样品表面，实现微结构的加工。
38.步骤四：使用抗表面倾角变化和抗散射变化的激光差动共焦定焦模块10用来实现对加工器件的z向进行监测，实现器件在加工的同时的原位几何参数测量。实现z向精密运动。
39.步骤五：重复步骤一到四，利用上位机多线程对标准激光干涉仪和运动控制模块以及激光器模块实时控制调整，实现对三维激光微结构单点的高精密加工同时实现几何参数的原位测量。
40.步骤六：如图4所示，重复步骤一至五，在载物台上17的三维激光微结构样品从点a开始扫描加工和监测，按照预设加工轨迹实现对三维激光微结构样品的高精密加工和原位几何参数测量。
41.如图1所示，本实施例还公开一种激光微结构高效加工及精密测量的装置，用于实现上述一种激光微结构高效加工及精密测量的方法，所述实现激光微结构高效加工及测量的装置采用纳米级驱动技术，实现物镜15和载物台17纳米分辨率定位。
42.具有正交特性偏振态的标准激光干涉仪激光头1、固定基台2、龙门支撑架3、x向气浮运动轴模块4、y向标准激光干涉仪镜组模块5、y向反射镜组6、分光棱镜7、x向标准激光干涉仪镜组模块8、z向反射镜组9、激光差动共焦定焦模块10、加工激光源11、z向2个标准激光干涉仪镜组模块12及反射镜组(z向)13、固定反射镜组(z向)的固定座206、z向气浮运动轴模块14、物镜15、标准l形平晶16、载物台17、y向气浮运动轴模块18、上位机19；
43.x/y向标准激光干涉仪镜组模块，其特征在于包括：具有正交特性偏振态的激光干涉仪激光源101，反射镜102，1/4波片103，角锥反射镜104，l形标准平晶16，偏振分光棱镜105。
44.z向标准激光干涉仪镜组模块，其特征在于包括：具有正交特性偏振态的激光干涉仪激光源201，反射镜组202，1/4波片203，角锥反射镜204，反射镜组(z向)13，固定反射镜组(z向)的固定座205，偏振分光棱镜206。
45.其中，固定基台2起到支撑整个装置的作用，x向气浮运动轴模块4安装在基台2上，
y向气浮运动轴模块18安装在x向气浮运动轴模块4上，其中，两侧的x向气浮运动轴模块4必须保持平行放置，y向气浮运动轴模块18必须和x向气浮运动轴模块4保持正交，且x向的运动将带动y向运动。z向气浮运动轴模块14以及激光差动共焦定焦模块10固定在龙门支撑架3，y向反射镜组6、分光棱镜7、y向标准激光干涉仪镜组模块5和x向标准激光干涉仪镜组模块8通过固定件安装在基台2上，z向2个标准激光干涉仪镜组模块12固定在龙门架3上，反射镜组(z向)模块13通过固定反射镜组(z向)的固定座205安装在z向气浮运动轴模块14上，物镜15安装在z向气浮运动轴模块14下端，标准l形平晶16和载物台17固定在y向气浮运动轴模块18上。
46.上位机19通过运动控制器模块实现x/y/z向气浮运动轴模块发生位移，安装在y向气浮导轨运动模块18上的l形标准平晶16将会对安装在基台2上的标准激光干涉仪镜组模块5和8产生相对位移，安装在z向气浮导轨运动模块14上的反射镜组(z向)13将会对安装在龙门支撑架3上的z向2个标准激光干涉仪镜组模块12产生相对位移，此时激光干涉仪将进行位置计算并反馈给上位机做进一步处理和补偿，实现x/y/z空间内的高精度位移移动控制。
47.上位机19通过控制激光器模块实现激光参数的调制并通过安装在z向气浮运动轴模块14上的物镜15聚焦到样品，实现高精度微结构的精细加工，此外，安装在龙门支撑架3上的激光差动共焦定焦模块10将会对加工过程中的微结构实现原位几何参数测量。
48.以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。