飞秒激光微细加工系统装备的设计与开发

钱振华 王荣扬 何彦虎

(湖州职业技术学院机电工程分院，浙江 湖州313000)

随着对激光技术的深入研究，激光脉冲的时域宽度被压缩得越来越短，纳秒(10-9s)量级到了皮秒(10-12s)量级直至飞秒(10-15s)量级［1］。脉冲时域宽度在飞秒量级的激光被称为飞秒激光。由于飞秒激光有着极短的脉冲宽度，可以用低的脉冲能量获得极高的峰值光强。例如，将脉冲能量为1 mJ、脉冲宽度为100 fs 的激光脉冲聚焦到直径为2 μm 的位点上时，可以获得1017W/cm2的峰值光强。具有如此极高峰值强度和极短脉冲宽度的光脉冲与物质相互作用时能够以极快的速度将其全部能量注入到很小的作用区域，瞬间的高能量密度沉积将使电子的吸收和运动方式发生变化，避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等的影响，从而在根本上改变了激光与物质相互作用的机制［2］。

飞秒激光凭借固有的超短和超强特性，在微细加工中显示出加工过程的非热熔性、加工程度的准确性、加工尺寸的亚微米特性和3D 空间分辨性、加工材料的广泛性以及加工能量的低耗性等5 大特征优势［2］。这些特征优势使飞秒激光得到越来越广泛的应用。首先，利用飞秒激光可以对具有很高热传导性和较低熔点温度的一般金属如钢、铜、铝等进行高精度和高质量的钻孔加工，这一技术对于汽车工业中高清洁度燃料注射喷嘴的制作非常重要;其次，利用飞秒激光可以对一些超高硬度的材料如金刚石等进行高精度的钻孔和切割处理，这在高功率激光器(CO2)中的输出窗口、微透镜和深紫外光波段的传感等的制作中具有很高的应用价值。利用飞秒激光可以对厚度小于50 μm 的薄硅晶片进行高精度切割，这使得高集成度微电子电路的实现成为可能;飞秒激光可以使一些聚合复合材料发生双光子吸收，从而引发光聚合反应，利用这一机制，结合光扫描技术，可以实现微纳米三维制作，这一技术对于制作微传感器、微齿轮等多种微机电系统具有非常重要的意义;利用飞秒激光可以对一些高爆危险品如TNT、PETN、HMX、LX 和PBX 等进行安全切割，这给火箭、炮弹以及其他武器的安全拆除带来了新的希望;利用飞秒激光还可以对光掩模缺陷进行修复，这对于制造高质量的集成电路芯片至关重要;此外，在激光医疗和生物工程领域，飞秒激光可以用于制作精细医疗器械(如血管支架)、超精细切割生物组织(如人眼角膜)以及对细胞和染色体的纳米切割，这对于冠心病的治疗、青光眼及白内障的手术治疗、活体细胞复杂功能以及转基因技术的研究都具有特殊意义［2-10］。

要实现飞秒激光微细加工，飞秒激光微细加工系统的设计与开发居首要位置。本文设计开发了一个数控飞秒激光微细加工系统，能控制三维工作台及1 个回转工作台的精确运动，实现了复杂三维型体的微细加工。本系统主要用于聚合复合材料的加工。

1 系统硬件结构与设计

1.1 系统总体需求分析

飞秒激光光源由泵浦激光器和钛-蓝宝石飞秒激光器产生。因实际加工中欲采用紫外光，要靠1 台倍频器来实现。另外，系统需采用一些辅助设备，如能量衰减镜(调节激光功率用)、光闸(控制激光的开关)以及平面介质膜反射镜。为了使光聚合反应发生在低于自聚焦临界值条件下，系统需配备1 台高倍大数值孔径的聚焦透镜。要对整个加工过程进行监测，就需要用到1 台CCD 数码摄像机。要实现三维微细加工，三维工作台是必要的;此外，为便于加工三维复杂型面，还需1 个回转工作台。这样，要控制1 个三维工作台和1 个回转工作台就要采用1 块具备四轴三联动功能的运动控制卡、1 套步进电动机及其驱动器、1 台PC机。而激光光闸的控制则需用一块A/D、D/A 板来实现。

1.2 系统硬件组成

本系统根据各组成部分的具体功能可分为3 个部分:光源及光路系统、显微镜和实时监测系统以及计算机数控系统(如图1)。

1.3 光源及光路系统

泵浦光源采用的是相干公司的VERDI -5，其输出波长为532 nm 的连续光。飞秒激光器采用钛-蓝宝石飞秒激光器TFS -1，在4.2 W 泵浦源的条件下，稳定输出功率为560 mW，频率为82 MHz，波长为796 nm，飞秒激光脉宽约30 fs。波长为796 nm 的激光属于红外飞秒激光，经过倍频器后波长变为398 nm 的紫外光。为了调节激光功率，系统采用了能量衰减镜。加工过程中激光的开关用光闸来实现。

1.4 显微镜和实时监测系统

显微镜采用OLYMPUS IX-70 倒置反射荧光显微镜，物镜放大倍数为100 ×，波长为398 nm 的激光脉冲经平面介质膜反射镜改变方向后再经物镜聚焦照射到被加工材料上。CCD 数码摄像机用来实时监测整个微细加工过程。

1.5 计算机数控系统

计算机数控系统是整个系统的控制核心(如图2)。本系统采用普通PC 机作为硬件平台，运动控制卡采用日本NOVA 公司生产的基于PCI 总线的MC8041P，它的主要功能依存于运动控制芯片MCX314。MCX314 是运用范围广泛的DSP 运动控制专用芯片，通过命令、数据和状态等寄存器实现四轴三联动的位置、速度、加/减速度等的运动控制和实时监控，实现直线、圆弧、位3 种模式的轨迹插补、输出脉冲频率达4 MHz。每轴都有伺服反馈输入端，4 个输入点和8 个输出点，能独立地设置为恒速、线形或S 曲线加减速控制方式，并有2 个32 位的逻辑、实际位置计数器和状态比较器，实现位置的闭环控制［11］。在实际使用中，用1 根I/O cable 将运动控制卡与步进电机驱动器相连，采用输出脉冲的方式来驱动步进电机，从而实现工作台的精确三维运动。本系统采用了日本SURUGA SEIKI 公司的1 套XYZ轴步进电机驱动平台和1 个回转平台，以及与之相配套的D230 步进电机驱动器。各 轴 参 数 为:X×Y×Z(20 mm × 20 mm ×20 mm)，0.02 μm/pulse;U:0.004°/pulse。此平台有着小体积、大刚度的特点，保证了系统加工精度。每根轴上内置了限位、原点等4 个传感器，提供硬件限位、回原点等功能，保证了系统运行时的安全性。

此外，在加工过程中需要用光闸来控制激光的开关，因此本系统还采用了1 款通用A/D、D/A 板AC6611，它具有32 路开关量输入输出功能(16 路输入及16 路输出)。只要根据工艺要求控制输出开关量即可控制光闸。

2 系统控制软件结构与开发

在飞秒激光微细加工系统中，控制软件的主要作用是读取飞秒激光微细加工专用自动编程系统所生成的G 代码加工程序，控制数控工作台的三维平动及回转运动，控制光闸等完成飞秒激光微细加工。

2.1 控制软件主要功能模块

(1)预处理

三维CAD/CAM 软件(UG、PRO -E 等)所生成的数控指令文件或快速成型系统所生成的控制指令文件不能直接用于该系统的加工，要实现不同系统产生代码的转换，需要设置预处理功能模块。预处理功能是通过一个自行开发的编译器实现。本模块还需具备飞秒激光微细加工工艺参数设定功能，包括步进电机的初始速度、驱动速度、加速度等。

(2)实际加工

工作台的控制:计算机向运动控制卡发送控制信号，经过运动控制卡处理输出到步进电机驱动器D230，从而控制工作台的运动。

光闸控制:根据具体的工艺，要求控制光闸的开关。

实时显示:动态显示整个加工过程，包括加工轨迹、输出脉冲数、读入的G 代码显示等。

(3)特殊功能模块

要加工1 个圆柱弹簧或者变螺距锥弹簧，可以采用三轴直线插补的方式，但是要达到比较高的精度很困难。为了便于加工出像圆柱弹簧或者变螺距锥弹簧这种特殊形式的工件，需采用回转工作台与X、Y、Z轴联动的方式解决。

2.2 控制软件的开发

在系统进行微细加工时，控制软件要执行控制工作台的运动、光闸的开关、同时还要实时显示加工过程等多任务，因此控制软件的开发使用Windows 平台的可视化设计工具Visual Basic(VB)与Visual C + +(VC)［12］。

软件的组成可分为两部分:一部分是用VC 对硬件寄存器进行编程，最后以动态链接库的形式将底层硬件的复杂功能封装起来(如运动控制卡的各种差补功能、A/D、D/A 板的开关量输出功能)，形成硬件设备驱动程序，这样做可以大大方便以后对硬件功能的调用。另一部分是用VB 开发的面向用户操作的软件，这是对整个系统控制的实现部分，除了必须具备上述主要功能模块外，还需提供给用户友好的界面［13］。

工作台控制的实现:读取飞秒激光微细加工专用自动编程系统所生成的G 代码加工指令或经预处理模块处理的三维CAD/CAM 软件所生成数控指令文件或快速成型系统所生成的控制指令文件，并对G 代码进行字符串处理，识别出相应的功能，同时将数据转换成脉冲数。通过调用运动控制卡的差补功能，采用输出脉冲的方式控制电动机运转，实现工作台的三维运动。

下面以实现加工变螺距锥弹簧为例，说明控制系统实现工作台控制的机理。该系统采用回转工作台U轴与X、Y轴联动的方式，再调用三轴插补运算即可实现。

光闸控制的实现:飞秒激光微细加工专用自动编程系统所生成的G 代码中包含了光闸控制语句，经读取后识别，再调用输出开关量函数输出相应的开关量，从而实现光闸控制。例如:

3 结语

飞秒激光作为一种新型的制造手段，在微细加工方面有着广阔的应用前景。其超短和超强的特性可以避免传统激光加工中热影响区大的缺点，同时又可以在聚合复合材料内部激发双光子吸收。本文所开发的飞秒激光微细加工系统已经投入实际使用，加工试样如图3 所示。经过对飞秒激光微细加工系统在实际使用中表现出来的各方面性能的分析，本系统具有操作简单、人机界面友好、加工精度高、功能强、开放性的优点，具备了较强的加工能力。

此外，针对飞秒激光微细加工对象尺寸小的特点，还有待开发一种自动工件传送装置，该装置可避免手工放置工件时误差大、可靠性差的缺点，可进一步提高系统的精度和可操作度。目前各方面正在积极准备中。

［1］贾威，王清月，傅星，等.飞秒激光在材料微加工中的应用［J］.量子电子学报，2004，21(2):194 -201.

［2］杨建军.飞秒激光超精细“冷”加工技术及其应用［J］. 激光与光电子学进展，2004，41(3):42 -57.

［3］李承德，王丹翎，罗乐，等.飞秒激光在三维微细体系中的应用［J］.物理，2000，29(12):719 -723.

［4］袁大军，蒋中伟，郭锐，等. 飞秒激光双光子复杂结构的微细加工［J］.微细加工技术，2004，(2):27 -30.

［5］杨建军.飞秒激光超精细“冷”加工技术及其应用(续)［J］. 激光与光电子学进展，2004，41(4):39 -47.

［6］Satoshi Kawata，Sun Hong - Bo，Tomokazu Tanaka，et al. Finer features for functional microdevices.［J］.Nature，2001，412:697 -698.

［7］Nolte S，Chichkov B N，Welling H，et al. Nanostructuring with spatially localized femtosecond laser pulses［J］.Opt. Lett.，1999，24(13):914-916.

［8］Venkatakrishnan K，Ngoi B K A，Stanley P，et al. Laser writing techniques for photomask fabrication using a femtosecond laser［J］. Appl.Phys. A，2002，74:493 -496.

［9］Banks P S，Stuart B C，Perry M D，et al. Femtosecond laser machining［J］.Lasers and Electro-Optics，1998，CLEO’98:510.

［10］Juhasz T，Loesel F H，Kurtz R M，et al. Corneal refractive surgery with femtosecond lasers［J］.IEEE Journal Selected Topics in Quantum Electronics，1999，5(4):902 -910.

［11］叶佩青，汪劲松.MCX314 运动控制芯片与数控系统设计［M］. 北京:北京航空航天大学出版社，2002.

［12］朱晖，章维一，杨继全，等.光造型系统中的控制软件［J］.机电一体化，1999(6):22 -24.

［13］钱振华，高志宏，左希庆.摩擦副表面激光微处理控制系统的设计［J］.机械制造，2008，46(1):30 -32.