唐海容， 許 斌， 趙世平

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065)

微球探針激光快速加工成形系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

唐海容， 許 斌， 趙世平

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065)

為了方便快捷地制備微球探針，設(shè)計(jì)了一種微球探針激光快速加工成形系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由激光光源、激光控制器、光束調(diào)整組件、機(jī)械定位組件四個(gè)部分構(gòu)成。通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)微球探針進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，得到了尖端無(wú)明顯缺陷且具有較好球形質(zhì)量的微球探針，實(shí)驗(yàn)表明：該激光快速加工成形系統(tǒng)能夠滿足微球探針快速成形的制備要求。

加工系統(tǒng)； CO2激光； 微加工； 微球探針

0 引 言

微孔、溝槽等微結(jié)構(gòu)幾何特征的測(cè)量是當(dāng)前微測(cè)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。微球探針作為微型測(cè)量?jī)x器中一個(gè)重要的接觸定位元件，其市場(chǎng)需求日益增長(zhǎng)[1]。但是，微球探針的制備操作流程復(fù)雜耗時(shí)，而且探針尖端容易吸附灰塵等雜質(zhì)，不適宜長(zhǎng)期存放，需要現(xiàn)用現(xiàn)制，因此，研制操作簡(jiǎn)單、快速的成形加工裝置是解決當(dāng)前球形尖端探針制備問(wèn)題的重要途徑。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做出了諸多探索：Fan K C[2,3]、趙健[4]、余慧娟等[5]學(xué)者利用商用光纖電弧熔接機(jī)的清潔功能制得球形探針。其加工系統(tǒng)主要由商用光纖電弧熔接機(jī)和外加的水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，受熔接機(jī)系統(tǒng)配置影響，加工工藝參數(shù)調(diào)節(jié)范圍有限，不能依據(jù)實(shí)驗(yàn)特殊需求靈活調(diào)節(jié)。為提高加工裝置的可調(diào)節(jié)性，Wang Z W[6],Ji H[7],李勇等[8]學(xué)者根據(jù)放電電弧加工原理自行搭建了球形探針加工原型系統(tǒng)，并進(jìn)行了球形探針的試制，但該加工原型系統(tǒng)的加工參數(shù)和加工精度有待進(jìn)一步研究。

本文介紹了一種微球探針激光加工系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)激光加工系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)頻率、占空比、激光作用時(shí)間三個(gè)參數(shù)控制微球探針的成形，為微球探針的快速成形提供了一種新的方法。

1 微球探針激光快速成形過(guò)程

隨著激光器的迅速發(fā)展，激光加工已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于微納制造領(lǐng)域[9]。與電弧熱加工相比，激光束加工具有能量密度高、加工速度快，對(duì)非激光輻照部位影響極小等特點(diǎn)，非常適合微球探針快速成形。具體成形過(guò)程如圖1所示，激光輻照于探針毛坯尖端待加工區(qū)域，為其提供材料軟化所需的能量。探針毛坯尖端吸收激光輻照能量后，內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，材料溫度升高到達(dá)軟化點(diǎn)，被加工區(qū)域材料迅速軟化形成熔體。由于表面張力的作用，毛坯尖端熔體發(fā)生質(zhì)量移動(dòng)逐漸形成一個(gè)球缺，球缺不斷變大形成球狀液滴。撤去激光后，球狀液滴在極短的時(shí)間內(nèi)冷卻，球形尖端形成。

圖1 微球探針激光成形過(guò)程示意圖Fig 1 Diagram of microsphere probes laser forming process

2 微球探針激光快速加工成形系統(tǒng)

自制的微球探針激光快速加工成形系統(tǒng)示意圖如圖2所示，系統(tǒng)主要由激光光源、激光控制器、光束調(diào)整組件、機(jī)械定位組件四個(gè)部分構(gòu)成。激光光源包括激光器、冷卻系統(tǒng)、直流電源等，為系統(tǒng)提供探針快速加熱成形所需的激光。光束調(diào)整組件包括紅光指示器、合束鏡、聚焦鏡等，實(shí)現(xiàn)激光光束的匯合和聚焦。機(jī)械定位組件由精密位移平臺(tái)和夾具組成，用于待加工微探針毛坯的夾持和定位。

圖2 微球探針激光快速加工成形系統(tǒng)Fig 2 Laser beam machining system for fabricating microsphere probes

所選擇的激光器的種類(lèi)由被加工的微探針材料決定。因?yàn)轫?xiàng)目所使用的微探針毛坯多為光纖、玻璃等非金屬材料，而這些材料對(duì)可見(jiàn)光透過(guò)率高達(dá)90 %，無(wú)明顯熱效應(yīng)；對(duì)CO2激光的吸收率可達(dá)90 %[10]，具有明顯熱效應(yīng)，因此本系統(tǒng)采用CO2激光作為熱源進(jìn)行加工。系統(tǒng)中使用的是美國(guó)SYNRAD公司的firestar series OEM CO2激光器。該激光器使用射頻激勵(lì)，而且射頻電源已經(jīng)集成，結(jié)構(gòu)緊湊，具有放電均勻、注入功率密度高、壽命長(zhǎng)、光束質(zhì)量高、電轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。在冷卻系統(tǒng)的作用下，激光輸出功率穩(wěn)定度高達(dá)±3 %，能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定地TEM00激光。

由于CO2激光的波長(zhǎng)為10.6 μm，屬于人眼不可見(jiàn)的紅外激光，使得系統(tǒng)光學(xué)組件的安裝調(diào)節(jié)和毛坯的定位變得十分困難。因此，本系統(tǒng)引入了紅光指示器，利用其發(fā)出的能量較低且光斑可見(jiàn)的紅色激光標(biāo)示系統(tǒng)中的CO2激光來(lái)輔助微探針毛坯尖端定位。

CO2激光光斑的大小決定加工區(qū)域的大小，減小激光光斑可以降低激光對(duì)微探針毛坯非加工區(qū)域的熱影響，提高系統(tǒng)加工的精度。因此，本系統(tǒng)使用聚焦鏡對(duì)CO2激光光束進(jìn)行聚焦來(lái)得到較小的激光光斑。綜合考慮毛坯夾持、機(jī)械定位的操作空間和加工區(qū)域大小等因素，系統(tǒng)選用焦距為101.6 mm的聚焦鏡。激光器輸出CO2激光經(jīng)過(guò)聚焦后激光光斑半徑約為246 μm。

除了激光光斑尺寸，激光器的輸出功率也會(huì)直接影響微球探針的成形效果。激光器輸出功率的調(diào)節(jié)是由激光控制器完成的。上述激光控制器采用PWM技術(shù)，其激光控制器產(chǎn)生的PWM信號(hào)通過(guò)激光器的射頻電源與激光器內(nèi)的射頻激勵(lì)信號(hào)耦合，控制激光器內(nèi)放電板的電壓存在時(shí)間，實(shí)現(xiàn)激光輸出光功率的調(diào)控。通過(guò)PWM信號(hào)的頻率、占空比和持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，就可以調(diào)控系統(tǒng)的激光輸出功率和作用時(shí)間。

3 加工實(shí)驗(yàn)工序與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

微球探針制備實(shí)驗(yàn)所用的毛坯是尖端直徑約16 μm的石英玻璃錐形毛坯，如圖3(a)所示。加工前需要使用棉花攢取工業(yè)酒精小心地擦拭尖端去除毛坯尖端附著的雜質(zhì)。準(zhǔn)備好毛坯后，將毛坯尖端朝下，豎直向下裝載并用夾具固定。接著調(diào)節(jié)X,Y,Z三維微位移平臺(tái)使裝載好的毛坯大致位于透鏡焦平面位置，打開(kāi)已經(jīng)安裝調(diào)試好的加工成形系統(tǒng)中各設(shè)備電源，根據(jù)紅光指示器發(fā)出的指示紅光進(jìn)行毛坯尖端位置細(xì)調(diào)。當(dāng)指示紅光與毛坯尖端正交時(shí)，指示紅光經(jīng)毛坯尖端衍射會(huì)在光束阻擋器上投射出紅色水平線形光斑。在光束阻擋器上看到線形光斑時(shí)，毛坯初始定位完成。然后在激光控制器上設(shè)置PWM信號(hào)的頻率、占空比和激光作用時(shí)間三個(gè)加工參數(shù)。最后正確穿戴激光防護(hù)設(shè)備開(kāi)始加工操作。

圖3 錐形毛坯和微球探針的SEM照片F(xiàn)ig 3 SEM photos of tapered semi-finished product and microsphere probe

激光加工完成后，小心取下微球探針并使用掃描電子顯微鏡對(duì)成形結(jié)果進(jìn)行觀測(cè)。圖3(b)為微球探針激光快速加工成形系統(tǒng)加工制得的微球探針，其加工參數(shù)為PWM信號(hào)頻率為3 kHz，占空比為40 %，激光作用時(shí)間為1 s。從

圖中可以看出:探針尖端微球表面質(zhì)量較好，無(wú)明顯缺陷，有少量雜質(zhì)附著，尖端微球直徑約188.6 μm。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一個(gè)微球探針激光快速加工成形系統(tǒng)，并使用該系統(tǒng)成功制得了尖端球形直徑約為188.6 μm微球探針。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，耗時(shí)短，系統(tǒng)的PWM信號(hào)頻率、占空比和激光作用時(shí)間三個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)方便，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)特殊需求靈活調(diào)整，能夠滿足微球探針快速制備的要求，為微球探針的快速成形提供了一種新的方法。未來(lái)將就該加工成形系統(tǒng)的加工參數(shù)對(duì)微球探針成形質(zhì)量的影響，以及加工工藝參數(shù)的優(yōu)化等問(wèn)題做進(jìn)一步研究。

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許 斌，通訊作者，E—mail：bin_xu@scu.edu.cn。

Design of laser beam machining system for rapid fabricating microsphere probes*

TANG Hai-rong, XU Bin, ZHAO Shi-ping

(School of Manufacturing Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

Microsphere probe is an important part of micro/nano precision measuring instruments,and it is widely applied in field of micromachining and precision measurement.In order to conveniently fabricate microsphere probes,a laser beam machining system for rapid fabricating microsphere probes is designed.The laser beam machining system is mainly composed of four parts,which are laser light source,laser controller,beam adjustment component and mechanical positioning components.By using the system, microsphere probe with a good ball tip is fabricated.Experimental results show that laser beam machining system can satisfy requirement of rapid fabricating microsphere probes.

machining system; CO2laser; micro-machining; microsphere probe

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0062—02

2016—03—21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405314)；中國(guó)工程物理研究院超精密加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(KF15004)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(2015SCU04A12)

TH 711

A

1000—9787(2016)07—0062—02

唐海容(1988-)，女，四川廣元人，碩士研究生，研究方向?yàn)閭鞲衅骷皯?yīng)用、微探針制備。