一种微探针尖端成形激光加工系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微探针尖端加工制造领域，特别涉及一种微探针尖端成形激光加工系统。
【背景技术】
[0002]微探针是表面形貌测量仪、轮廓测量仪、触针式位移传感器等测量仪器的核心组成部件，在精密测量加工、高端产品制造等工业生产领域，有着广泛地应用。
[0003]对于微探针，一个好的微球形尖端是必不可少的。如何对探针进行加工，使其具有良好的微球形尖端是一个亟待解决的技术难题。
[0004]传统的微探针尖端热成形加工方法有以下几种:火焰加热成形法、电阻丝加热成形法、电弧放电加热成形法等。这些加工方法都有其自身的缺陷与不足。
[0005]火焰烧制方法是一种较早的微探针尖端成形加工方法。该成形加工系统主要包括:火焰发生器，固定夹具，夹持调整平台等。其中火焰由氢气或乙醇或丙烷等燃料燃烧产生，通过火焰发生器的喷嘴喷出，给被加工探针尖端加热。这种加工方法存在的主要问题是:1、火焰空间分布较大，不适用于微小局部精确加工。2、燃烧产生的火焰温度场易受气流、湿度等外界影响，且加热时间不能精确控制，导致尖端成型的一致性和重复性较差。3、燃料的燃烧会引入其他氧化物附着于探针球形尖端，对探针尖端造成影响。
[0006]电阻丝加热烧制法是在火焰加热方法的基础上产生的，该成形加工系统主要包括:发热电阻丝或电阻片及与之连接的电路、固定夹具、夹持调整平台等。与火焰烧制方法相比此方法的加热区域由电阻片大小约束。但就其本身特点来说还是存在以下缺陷:1、加热区域较大，不适宜微小局部精确加工。2、加热过程中，发热材料容易粉末化和裂损，释放有毒物质；3、发热材料升温速度较慢且需要通入较大电流，对硬件电路要求很高。
[0007]电弧放电加热方法是一种较常见的针对高熔点材料探针的尖端成形加工方法，该方法主要基于电弧放电、能量吸收和表面张力等基本原则对探针尖端成形加工。其加工系统的组成包括:高频高压电源、两个对称的电极组件和与之连接的电路、固定夹具、夹持调整平台等。电极放电加工方式主要存在的缺陷是:1、加热区域虽然较前面几种较小但是其大小不能根据加工要求调整，灵活性和通用性差。2、加工出来的球形尖端表面存在电弧坑、气泡等缺陷。3、加工时为防止被加工材料和放电电极与氧气反应，需要通入保护气体，因此结构复杂，不易操作。
【发明内容】
[0008]为解决以上微探针尖端成形加工技术中存在的缺陷，提高微探针尖端的球形质量。基于激光加工方法在光纤耦合器件制备上的应用思路，我们发明了一种微探针尖端成形激光加工系统。该系统采用的具体技术方案详见下文描述:
[0009]本加工成形系统，主要由激光发生模块、光路调节模块、探针位置调整模块、在线监测模块、信号分析处理模块、激光防护模块等组成。所述的激光发生模块包括:co2激光器(I)、直流电源(2)、功率控制器(3)等，用来产生CO2激光；其特征是:所述的CO 2激光器的后端分别连接直流电源(2)和功率控制器(3)，前方设有所述的光路调节模块。
[0010]所述的光路调节模块包括:激光指示器(4)、合束镜(5)、聚焦透镜(6)、激光吸收器(10)等，用来调节激光光路，其特征是:所述的激光指示器、合束镜、聚焦透镜、激光吸收器的中心处在与X-Y平面平行的同一水平面上，其中激光指示器位于合束镜(5)的右侧，可发射出能量较低且可见的第二激光，所述的合束镜、聚焦透镜和激光吸收器，沿着水平的CO2激光光轴从左向右依次排列。
[0011]所述的位移调整模块为二维或多维精密位移平台(9)，用来调整微探针毛坯的相对位置，其特征是:所述的位移平台是一种精密驱动平台，设置在聚焦透镜出)的右侧；在所述的位移平台上刚性连接有夹具，所述的夹具用来固定所述的微探针毛坯，通过调节位移平台可改变微探针毛坯(8)的位置，使其尖端处于所述的聚焦透镜的右侧焦点附近。
[0012]所述的在线监测模块为一种显微成像设备(7)，用来观测探针尖端的成形过程，其特征是:所述的显微成像设备主要包括显微成像镜头和图像传感器阵列，所述的图像传感器阵列通常为CCD器件或CMOS器件中的一种，所述的显微成像设备的镜头对准被加工的微探针毛坯(8)的尖端，设备输出端接入信号分析处理模块(11)中，可将微探针毛坯尖端成形加工过程的实时图像信息传输给信号分析处理模块(11)，实现了可视化的在线加工操作。
[0013]所述的信号分析处理模块(11)为计算机，用来控制功率控制器(3)的信号输出和接收显微成像设备(7)的图像信息。其特征是:所述的信号分析处理模块分别与功率控制器(3)和显微成像设备(7)连接，所述的显微成像设备将拍摄的实时加工信息，传输给信号分析处理模块(11)进行分析处理。根据分析结果，信号分析处理模块(11)再通过调整功率控制器⑶的参数来控制CO2激光器⑴的加工功率。
[0014]所述的激光防护模块为防护玻璃罩(12)，其特征是:所述的防护玻璃罩由四块CO2激光专用防护玻璃板构成，罩在整个激光光路经过的区域，可防止CO2激光的偏移散射对使用人员造成伤害。
[0015]如上所述的一种微探针尖端成形激光加工系统，更进一步说明为，所述的合束镜的中心平面与X-Y平面垂直且与Y-Z平面成45度角放置，所述的0)2激光器发出的沿Y轴方向的第一激光(13)，入射到合束镜(5)的中心，激光指示器(4)发出的沿X轴负方向可见的第二激光(14)入射到合束镜(5)的中心，两束激光经过合束镜(5)后，合并成一束沿Y轴方向具有与第二激光相同颜色的第三激光(15);所述的第三激光入射到聚焦透镜(6)后，汇聚在所述的微探针毛坯(8)的尖端，可对微探针尖端加热成形。其他的残余激光照射在激光吸收器(10)上，被激光吸收器(10)阻隔吸收。
[0016]如上所述的一种微探针尖端成形激光加工系统，更进一步说明为，所述的CO2激光的电源由直流电源(2)提供，激光功率由与信号分析处理模块(11)相连的功率控制器(3)调节。本系统之所以采用CO2激光器，是因为被加工的微探针多数由非金属材料制成，而非金属材料对CO2激光的吸收效率比其它激光要高。
[0017]如上所述的一种微探针尖端成形激光加工系统，更进一步说明为，所述的功率控制器为一种通过调节脉冲宽度输出，实现激光输出功率调节的设备，分别与CO2激光器(I)和信号分析处理模块(11)连接。所述的信号分析处理模块用来给所述的功率控制器提供控制信号，控制功率控制器(3)的启动和停止。功率控制器(3)启动后，会把用户预设的PWM信号作用于CO2激光器(I)，实现CO2激光的触发。用户可通过信号分析处理模块(11)调节预设的PWM信号参数，灵活调整0)2激光的输出时间和输出功率，从而可精确控制探针尖端加热时间和加热量，增强了加工过程的可控性和可操作性。
[0018]如上所述的一种微探针尖端成形激光加工系统，更进一步说明为，所述的合束镜为一种对不同波长的光作用不同的镜片。由于本系统使用的CO2激光为人眼不可见的红外激光，若不经处理，将会影响后续加工操作和带来安全隐患。为此本系统增加了激光指示器
(4)与合束镜(5)，用来对CO2激光进行标注指示。所述的激光指示器可发射出一种能量较低且可见的第二激光，所述的合束镜对第一激光(13)具有超高的透射率，对第二激光(14)有很强的反射能力。透射出合束镜(5)的第一激光(13)与经合束镜(5)反射的第二激光
(14)将合并成与所述的第二激光具有相同颜色的第三激光(15)，从而完成对0)2激光的标注指示，实现了后续加工过程中C02激光光路的可视化。
[0019]如上所述的一种微探针尖端成形激光加工系统，更进一步说明为，所述的聚焦透镜为一种根据激光器输出激光的波长范围选择的聚焦透镜，其镜片多用ZnSe、Ge等对CO2激光具有超高透射率的材料制成。聚焦透镜(6)的中心在第三激光(15)的光轴上，用来对CO2激光进行汇聚，使激光光斑变小，汇聚后的CO 2激光空间能量分布更加集中，可对探针尖端进行局部快速加热成型。
[0020]如上所述的一种微探针尖端成形激光加工系统，更进一步说明为，所述的激光吸收器安置在整个光路系统的末端，用来阻挡和吸收残余激光，保证使用人员的人身安全。
[0021]本发明的有益效果
[0022]与传统的微探针尖端热成形方法相比，本发明带来的有益效果是:
[0023]能够灵活调整热源作用区域的大小和位置，不易导致微探针除尖端以外其他区域损坏，非常适合对微小局部区域快速加热，得到理想的探针尖端形状。
[0024]加工时间较短，探针尖端成形一致性和重复性较好，加工功率和作用时间容易精确控制，可按照自己的需求灵活