专利名称：扫描电子显微镜用光阑的紫外激光微加工系统及方法
技术领域：
本发明涉及到光阑，特别是一种应用于扫描电子显微镜中的微孔和小孔 光阑的紫外激光微加工系统和方法。
背景技术：
目前，各种微孔在飞机、汽车、电子电器、化工、食品、生物医疗等行 业中的应用越来越广泛。但是对于一些硬脆材料、合金材料、硬质金属材料 以及一些其他高新材料进行百微米甚至十微米量级的微孔加工难度是非常大 的。而用来作为扫描电子显微镜的通电子束的光阑，需要在难熔金属钼的薄
片上加工出从20pm到30(Him范围内多个孔径大小的微孔和小孔。普遍采用 机械加工方式对薄钼片进行钻孔加工，这种方式不仅需要消耗昂贵的金刚石 钻头，而且很难加工小于300jiim的孔径；其它加工技术也可以用来进行加工， 但是效率低，成本高，例如电火花加工，用电火花加工需要针对不同孔径制 造相对应的电极，而加工电极的难度甚至大于加工微孔和小孔的难度，并且 电极也非常容易损坏，成本也极其昂贵。
因此，需要一种能够针对不同孔径光阑尤其是微孔光阑的有效的加工系 统、技术和方法。
发明内容
本发明解决的问题是针对上述的微孔和小孔光阑加工技术的难题，提 供一种紫外激光加工扫描电子显微镜用光阑的系统及方法，该系统和方法能
够解决孔径在15pm 300(im的各种孔径光阑的加工，该系统和方法具有精度 高、速度快以及环保等优点。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。包括有紫外激光器l、 计算机2、扫描振镜系统3、钼薄片4、夹具5和工作台6。其中，紫外激光 器1发出的激光束7水平射入扫描振镜系统3中，经过扫描振镜系统3中的
折返镜后光束变为竖直向下，并经扫描振镜系统3中的/一e聚焦透镜聚焦到通过夹具5固定在工作台6上的厚度在10pm 0.5mm之间的被加工材料钼片 4上；紫外激光器1的波长为157nm 390nm，脉冲重复频率的调节范围为 1Hz 15KHz。所述的夹具5包括有可以通过螺钉固定连接的上金属块9和下金属块10， 上金属块9置于下金属块10之上，上金属块9与下金属块10在相应位置设 置有大小相同、用于激光束通过的中空部分。使用上述扫描电子显微镜用光阑的紫外激光微加工系统来加工微孔光阑 的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1) 调整工作台5使得被加工材料钼片4上表面位于扫描振镜系统发出的 聚焦激光束的焦点位置；2) 打开紫外激光器1和计算机2，用计算机2控制紫外激光器1输出激光 7，调整紫外激光器1脉冲重复频率在钼片4上加工微孔；脉冲重复频率具体调节方法为对于要加工孔径在15pm和23(im之间的微孔，激光器脉冲重复频率在 200Hz 500Hz之间进行调节；对于要加工孔径在23pm 27Mm之间的微孔，激光器脉冲重复频率在 500Hz 1500Hz之间进行调节；对于要加工孔径在27pm 32iim之间的微孔，激光器脉冲重复频率在 1500Hz 5000Hz之间进行加工。使用上述扫描电子显微镜用光阑的紫外激光微加工系统来加工微孔光阑 的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1) 调整工作台5使得被加工材料钼片4上表面位于扫描振镜系统发出的 聚焦激光束的焦点位置；2) 打开紫外激光器1和计算机2，用计算机2控制紫外激光器1输出激光 7，设定激光脉冲重复频率500Hz，调整离焦量来加工微孔；
离焦量的具体调节方法为
对于要加工孔径在23pm和30pm之间的微孔，离焦量的调节范围为 0mm lmm;
对于要加工孔径在30pm和50|im之间的微孔，离焦量的调节范围为 lmm 2.5mm。
上述两种加工方法均为微钻孔加工方法，可以加工孔径在15(im 50nm 的微孔，所谓的微钻孔是指保持光与工作台不动，使得激光在某一位置持续 脉冲加工得到微孔。
使用上述扫描电子显微镜用光阑的紫外激光微加工系统来加工微孔光阑 的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤
1) 调整工作台5使得被加工材料钼片4上表面位于扫描振镜系统发出的 聚焦激光束的焦点位置；
2) 打开计算机2，并在扫描振镜系统3的控制软件中绘制所要加工的各个 小孔孔径大小；
3) 打开紫外激光器1调整激光器的脉冲重复频率和振镜控制软件的扫描 速度对绘制的各小孔进行激光切孔，得到各种孔径的光阑；
所述的脉冲重复频率在500 5000之间进行调节； 所述的扫描速度可以在0.01 mnvs-l 10 mnvs-l之间调节。 所述的脉冲重复频率和扫描速度的具体调节方法为对于0.2mm厚的钼 片(4)进行激光微切孔，脉冲重复频率为500Hz时，切割的速度为O.lOmms-l; 脉冲重复频率为1000Hz时，切割的速度为0.22mms-1;脉冲重复频率为1500Hz 时，切割的速度为0.35mms-l; 脉冲重复频率为2000Hz时，切割的速度为 0.42mms-l;脉冲重复频率为2500Hz时，切割的速度为0.48mms-l;脉冲重 复频率为3000Hz时，切割的速度为0.65mms-l;脉冲重复频率为3500Hz时， 切割的速度为0.80mms-l。
该方法为微切孔加工方法，能够加工出孔径在50iim 300^im的微孔，所
谓的激光微切孔方法是指激光按照一定轨迹切出一个封闭的区域形成孔。本发明的优点为.. 一种在钼薄片上用紫外激光加工扫描电子显微镜用光 阑的系统和方法，用激光微钻孔和激光微切孔技术来加工扫描电子显微镜用的从15pm到300pm之间的各种孔径光阑，尤其是加工15pm到50pm之间的微孔，解决了目前微孔难以加工的问题。激光微加工方法具有精度高、非接 触、速度快、效率高、成本低、易于实现自动化等优点。而且所用的高功率 紫外激光加工质量好，热影响区和变形都很小。
图1是紫外激光加工扫描电子显微镜用光阑的系统装置简图； 图2是夹具的结构简图；其中1、紫外激光器；2、计算机；3、扫描振镜系统；4、被加工 材料钼薄片；5、夹具；6、工作台；7、激光束、8、螺丝；9、上金属块； 10、上金属块。
具体实施方式
下面结合图l、图2详细说明本实施例。如图1所示，本实施例包括有波长为355nm的紫外激光器1、计算机2、 扫描振镜系统3、钼薄片4、夹具5和工作台6。其中，紫外激光器l发出的 激光束7水平射入扫描振镜系统3中，振镜系统内部有两块反射镜，通过计 算机中的振镜控制软件控制反射镜的转动来实现对激光束X， Y方向的精密扫描，经过振镜系统的反射镜后光束变为竖直向下，激光束经过出光口的/ —6聚焦透镜聚焦到钼薄片4上，钼薄片通过夹具5固定在三维精密移动工作 台上面。三维精密移动工作台也可以是单一Z向精密移动工作台。如图2所示，本实施例中的夹具5由上下两块70mmX60mm的中空的厚 金属块和四个螺丝8组成。上面是5mm厚的铝块9，其中间为50mmX40mm 的中空部分用来作为加工区域，四个角有四个通孔；下面是15mm厚的不锈 钢块IO，中间也是50mmX40mm的中空部分，四个角的相应位置的通孔改为
螺纹通孔；激光加工时钼薄片4被夹在两块厚金属块之间，四个螺丝8把上下两个厚金属块连在一起并拧紧。本夹具既能够保证钼薄片被夹在后金属块 之间保持展平，又可以保证下面悬空利于激光加工，同时两个厚金属块有足 够的重量保证加工过程中钼薄片的位置不发生变化。对于在15jim到300pm之间的光阑孔径，可以分别采用激光微钻孔和激 光微切孔两种方法对钼薄片光阑进行加工。其中微钻孔是指保持光与工作台 不动，使得激光在某一位置持续脉冲加工得到微孔；激光微切孔是指激光按 照一定轨迹切出 一个封闭的区域形成孔。激光微钻孔的方法包括下列步骤① 将紫外激光器1、计算机2、扫描振镜系统3、被加工材料钼薄片4、夹 具5和工作台6按照上述方法搭建好；② 调整工作台5，使得钼薄片4的上表面位于聚焦激光束焦点位置；③ 打开激光器1和计算机2，用计算机2控制激光器1输出激光6，调整 激光器脉冲重复频率来加工孔径在15pm和32pm之间的微孔或者设定激光脉 冲重复频率，调整离焦量来加工孔径在23pm到5(Vm之间的微孔。此处所指 离焦量是指钼片4上表面和扫描振镜系统3聚焦的激光束焦点之间的距离。 其中激光器的脉冲重复频率是在1Hz 15KHz之间可调；离焦量是在Omm 5mm之间取值。采用调整频率加工时，保持钼薄片在激光束焦点位置，对于孔径在15(im 和23pm之间的微？L，采用激光器脉冲重复频率在200Hz 500Hz之间进行加 工；对于孔径在23lam 27pm之间的微孔，采用采用激光器脉冲重复频率在 500Hz 1500Hz之间迸行加工；对于孔径在27|im 32|im之间的微孔，采用 采用激光器脉冲重复频率在1500Hz 5000Hz之间进行加工。采用改变离焦量加工时，保持激光脉冲重复频率为500Hz，对于孔径在 23(im 30jim之间的微孔，采用离焦量在Omm lmm之间进行加工，对于孔径 在30pm 50^im之间的微孔，采用离焦量在lmm 2.5mm之间进行加工。
激光微切孔的方法包括以下步骤① 将紫外激光器1、计算机2、扫描振镜系统3、被加工材料钼片4和工作 台5按上述方法搭建好；② 调整工作台5使得钼片4上表面位于聚焦激光束焦点位置；③ 打开计算机2，并在扫描振镜系统3的控制软件中绘制所要加工的各个 小孔孔径大小；④打开紫外激光器1调整激光器的脉冲重复频率和振镜控制软件的扫描速度对绘制的各小孔在钼片4上进行激光切孔，得到所需要的各种孔径的光阑。 其中，脉冲重复频率可在在500Hz 5000Hz之间进行调节，扫描速度可以在 0.01 mnrs-l禾Q 10 mnvs-l之间可调。加工的孔径是在5(Vm 500pm之间的圆 孔，也可以是其他任何形状或者任何复杂结构的孔,其孔径也可以是500|am 10mm之间的任何孔径。对于0.2mm厚的钼薄片进行激光微切孔，脉冲重复频率为500Hz时， 切割的速度为O.lOmms-l;脉冲重复频率为1000Hz时，切割的速度为 0.22mms-l;脉冲重复频率为1500Hz时，切割的速度为0.35mms-l; 脉冲重 复频率为2000Hz时，切割的速度为0.42mms-l;脉冲重复频率为2500Hz时， 切割的速度为0.48mms-l;脉冲重复频率为3000Hz时，切割的速度为 0.65mms-l;脉冲重复频率为3500Hz时，切割的速度为0.80mms-l。使用本系统，能够用微钻孔和微切孔技术来加工扫描电子显微镜用的从 15pm到300pm之间的各种孔径光阑，尤其是加工15nm到50pm之间的微孔， 解决了目前微孔难以加工的问题。
权利要求
1、扫描电子显微镜用光阑的紫外激光微加工系统，其特征在于包括有紫外激光器(1)、计算机(2)、扫描振镜系统(3)、钼薄片(4)、夹具(5)和工作台(6)；其中，紫外激光器(1)发出的激光束(7)水平射入扫描振镜系统(3)中，经过扫描振镜系统(3)中的折返镜后光束变为竖直向下，并经扫描振镜系统(3)中的f-θ聚焦透镜聚焦到通过夹具(5)固定在工作台(6)上的厚度在10μm～0.5mm之间的被加工材料钼片(4)上；所述的紫外激光器(1)的波长为157nm～390nm，脉冲重复频率的调节范围为1Hz～15KHz。
2、 根据权利要求l所述的扫描电子显微镜用光阑的紫外激光微加工系统，其 特征在于所述的夹具(5)包括有可以通过螺钉固定连接的上金属块(9) 和下金属块(10)，上金属块(9)置于下金属块(10)之上，上金属块(9) 与下金属块(10)在相应位置设置有大小相同、用于激光束通过的中空部分。
3、 使用权利要求1所述的扫描电子显微镜用光阑的紫外激光微加工系统来加 工微孔光阑的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1) 调整工作台(5)使得被加工材料钼片(4)上表面位于扫描振镜系统 发出的聚焦激光束的焦点位置；2) 打开紫外激光器(1)和计算机(2)，用计算机(2)控制紫外激光器 (1)输出激光(7)，调整紫外激光器(1)脉冲重复频率在钼片(4)上加工微孔；脉冲重复频率具体调节方法为对于要加工孔径在15pm和23pm之间的微？L，激光器脉冲重复频率在 200Hz 500Hz之间进行调节；对于要加工孔径在23(im 27(im之间的微孔，激光器脉冲重复频率在 500Hz 1500Hz之间进行调节；对于要加工孔径在27pm 32pm之间的微孔，激光器脉冲重复频率在 1500Hz 5000Hz之间进行加工。
4、 使用权利要求1所述的扫描电子显微镜用光闹的紫外激光微加工系统来加 工微孔光阑的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1) 调整工作台(5)使得被加工材料钼片(4)上表面位于扫描振镜系统 发出的聚焦激光束的焦点位置；2) 打开紫外激光器(1)和计算机(2)，用计算机(2)控制紫外激光器 (1)输出激光(7)，设定激光脉冲重复频率500Hz，调整离焦量来加工微孔;离焦量的具体调节方法为对于要加工孔径在23pm和30pm之间的微孔，离焦量的调节范围为 Omm lmm;对于要加工孔径在30pm和50pm之间的微孔，离焦量的调节范围为 lmm 2.5mm。
5、 使用权利要求1所述的扫描电子显微镜用光阑的紫外激光微加工系统来加工微孔光阑的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1) 调整工作台(5)使得被加工材料钼片(4)上表面位于扫描振镜系统 发出的聚焦激光束的焦点位置；2) 打开计算机(2)，并在扫描振镜系统(3)的控制软件中绘制所要加工 的各个小孔孔径大小；3) 打开紫外激光器(1)调整激光器的脉冲重复频率和振镜控制软件的 扫描速度对绘制的各小孔在被加工材料钼片4上进行激光切孔，得到各种孔 径的光阑；所述的脉冲重复频率在500 Hz 5000 Hz之间进行调节； 所述的扫描速度可以在O.Ol mnvs-l 10mnvs-l之间调节。
6、 根据权利要求5所述的加工微孔光阑的方法，其特征在于所述的脉冲重 复频率和扫描速度的具体调节方法为对于0.2mm厚的钼片(4)进行激光微 切孔，脉冲重复频率为500Hz时，切割的速度为O.lOmms-l;脉冲重复频率 为1000Hz时，切割的速度为0.22mms-l;脉冲重复频率为1500Hz时，切割 的速度为0.35mms-l;脉冲重复频率为2000Hz时，切割的速度为0.42mms-l; 脉冲重复频率为2500Hz时，切割的速度为0.48mms-l;脉冲重复频率为3000Hz 时，切割的速度为0.65mms-l;脉冲重复频率为3500Hz时，切割的速度为 0.80mms-l。
全文摘要
本发明涉及到光阑，特别是一种应用于扫描电子显微镜中的微孔和小孔光阑的紫外激光微加工系统和方法。主要由紫外激光器、计算机、扫描振镜系统、被加工材料钼薄片、工作台和夹具构成，通过激光微钻孔和激光微切孔两种方法加工不同孔径的光阑。对于15μm～50μm的微孔采用微钻孔方法加工，把钼薄片放在焦点位置，通过调整激光脉冲重复频率或者调节离焦量来加工；对于50μm～300μm的孔径采用激光微切割的方法进行加工，首先使钼片固定在激光束焦点位置，其次在扫描振镜控制软件中绘制所要加工的孔径大小，最后控制激光器对绘制的孔径进行激光微切孔。本发明能够加工15μm～300μm的微孔，解决了目前微孔加工的难题。
文档编号B23K26/38GK101131470SQ20071012210
公开日2008年2月27日 申请日期2007年9月21日 优先权日2007年9月21日
发明者翟立斌, 赵宏亮, 陈继民 申请人:北京工业大学