飞秒激光加工系统的研发及误差分析

【摘要】基于双光子聚合的飞秒加工突破了光学衍射极限，使加工尺度达到纳米级，作为一种新型的超精密加工方式受到了越来越多人的关注。但是目前其加工装置仅仅用于实验阶段，它所加工的工件的微观尺寸、宏观尺寸和加工精度之间的矛盾极大的限制了它的推广和商业化，因此本文对当前的加工装置进行整合，研制一套飞秒加工系统，它具有系统集成化、宏观和微观尺寸相协调、加工效率高等优点。本文首先设计了一套飞秒加工系统，包括光学系统和五轴微纳加工平台。光学系统有飞秒激光器、快门、能量放大/缩小器、各级反射镜、CCD摄像头和振镜系统，实现了激光束的产生、传递、检测和聚焦；五轴微纳加工平台采用直线电机驱动、气浮导轨支撑和光栅尺位移传感器检测技术，各个轴之间采用串联方式安装，x轴和y轴正交分布，A轴和B轴正交分布并位于y轴之上，z轴垂直于大理石基座与其它轴属于并联连接，在z轴上安装振镜箱体用以实现快速扫描，A轴和B轴采用直线电机和压电驱动相结合的方式实现微小角度的摆动，并且采用大理石基石作为床身实现隔振。激光束的偏摆角直接影响加工精度，本文分析了激光束初始入射角、振镜摆角和激光扫描角度的之间的关系，得出了扫描角度随着初始入射角的增大而减小，随着振镜摆角的增大而增大，并且当1010，6090时，扫描角度具有很好的线性度；为了更加准确的描述激光光斑作用于工件的位置，本文还推导了激光束通过透镜后的折射角，通过分析可知影响激光束折射角的因素有入射角、初始入射角和振镜摆角，并且激光折射角随影响因素呈周期性变化，初始入射角越大，周期越大，振镜摆角越大，周期越小；初始入射角与振镜摆角的影响权重要大于激光束入射角的影响权重。对于所设计的五轴微纳加工平台，本文对其进行了误差分析，利用多体建模技术建立了装置的综合误差模型，确定了影响综合误差的50项因素，重点提取各轴垂直度误差、平动误差和摆动误差，得出以下结论：（1）垂直度误差对x轴和y轴影响比较大，对z轴的影响可以忽略不计，且当垂直度误差为10时，误差达到250nm，当垂直度误差为1时，误差达到纳米级别；（2）装置在x方向的综合移动误差ex是由俯仰角和x共同决定的，其他误差对它影响甚小；在y方向的综合移动误差ey是由滚摆角和y共同决定的，其他误差对它影响几乎没有；它在z方向的综合移动误差ez只与z有关，无论是角度误差还是其它方向的位移误差对它都没有影响；（3）综合误差是各个轴相互作用相互影响的结果，五个运动轴共同决定了装置的综合误差。
【作者】王文攀；
【导师】周晓勤；刘强；
【作者基本信息】吉林大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】飞秒加工；五轴平台；光学系统；多体建模理论；误差；

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