飞秒激光与离子束刻蚀联合修调半球谐振子的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于微纳加工应用技术领域，具体涉及一种飞秒激光与离子束刻蚀联合修调半球谐振子的方法及装置；使用时空整形的飞秒激光和离子束刻蚀来实现从原子级至毫克级的质量去除，大幅提高调平的质量与精度，同时采用FPGA激励与检测电路来实现频率特性的快速分析，大幅提高调平效率，最终实现在线跨尺度调平。本发明专利技术可以大幅提高谐振子的调平效率，实现陀螺的跨尺度、超高精度、低应力调平，明显改善谐振子调平质量进而实现高质量、高效率加工。高效率加工。高效率加工。

【技术实现步骤摘要】
飞秒激光与离子束刻蚀联合修调半球谐振子的方法及装置


[0001]本专利技术属于微纳加工应用
，具体涉及一种飞秒激光与离子束刻蚀联合修调半球谐振子的方法及装置。

技术介绍

[0002]目前,主要有四种形式对半球谐振陀螺进行调平:机械研磨、化学刻蚀、激光调平和离子束调平。美国加利福尼亚大学尔湾分校在2018年使用机械研磨的方法成功将半球谐振子的频率裂解值从41Hz降低到7Hz，但是研磨效率很低且最后半球谐振子的频率裂解值依然很大。国防科技大学高等跨学科研究院在2018年使用化学刻蚀的方法成功将半球谐振子的频率裂解值降低到了0.005Hz以下，但是相比其他调平方法，化学调平的精度和可控性较差。激光调平通过高能激光作用在谐振子的局部位置实现材料的蒸发去除,具有很高的调平效率、较高的可控性和较高的加工精度。传统的激光加工加工区域很大且具有较大的热应力,对材料内部损伤很大。赵小明等建立了半球谐振子的点式调平算法,并采用飞秒激光时空整形方法去除了不平衡质量,最终将频率裂解降低至8mHz，达到了0.5mHz的调平分辨率。离子束调平利用离子束与谐振子作用时的溅射效应来去除材料,即利用携带动能的离子撞击材料原子。离子束调平去除在调平时不会产生明显的热效应,对材料损伤小，对谐振子的Q值影响也较小。中国电子科技集团有限公司二十六所的胡晓东等首次实现了基于离子束技术的半球谐振子频率裂解修调,成功将频率裂解从0.46Hz降低到了0.012Hz。
[0003]综上所述,飞秒激光和离子束刻蚀技术在半球谐振陀螺调平上展现了极大的优势,但传统飞秒激光受限于位移台的扫速和高斯型的脉冲，存在加工效率低，底面粗糙度较大的缺点，而离子束工艺则更为复杂，且对于大质量小区域去除需要花费很长时间。
[0004]基于此，亟需一种超高效率、超高精度和超高质量的半球谐振子调平装置。

技术实现思路

[0005]为了解决现有半球谐振子修调技术中加工效率低、热应力大、步骤复杂、控制精度低等问题，本专利技术主要目的是提供一种飞秒激光与离子束刻蚀联合修调半球谐振子的方法及装置，使用时空整形的飞秒激光和离子束刻蚀来实现从原子级至毫克级的质量去除，大幅提高调平的质量与精度，同时采用FPGA激励与检测电路来实现频率特性的快速分析，大幅提高调平效率，最终实现在线跨尺度调平。
[0006]为实现上述目的，本专利技术实施例采用以下技术方案。
[0007]一种飞秒激光与离子束刻蚀联合修调半球谐振子的方法，包括以下步骤：S1 对半球谐振子进行模态分析，建立三维模型，在所述三维模型支撑柱的上下两个平面添加固定约束，得到谐振子的二阶固有频率；同时建立缺陷谐振子模型，仿真调平过程，得到频率裂解值与去除质量的关系；S2 在与半球谐振子材料相同的样品材料上测量半球谐振子材料的烧蚀阈值，确定不同能量对应的加工深度，使用离子束刻蚀样品材料确定去除质量与加工时间、能量、面
积的关系，得到不平衡质量对应的加工参数；S3 根据所述S1得到的二阶模态固有频率，使用频率在固有频率
±
5Hz内，频率步长为0.01Hz的交流正弦高压信号激励谐振子，得到半球谐振子幅值信息，分析得到频率裂解值、品质因数和刚性轴位置；S4 使用能量等于材料烧蚀阈值的飞秒激光或者离子源能加工上的最小加工电压进行质量去除，根据实际得到的去除质量与频率裂解值的关系，确定需要去除的质量、加工参数与加工时间；S5 根据所述S4确定需要去除的质量、加工参数与加工时间，使用飞秒激光与离子束刻蚀进行联合加工；S6 重复S3和S5，直至半球谐振子的频率裂解值和加工质量符合要求。
[0008]进一步的，将离子束刻蚀与飞秒激光集成到一个加工工序内，所述离子束刻蚀与飞秒激光加工同时进行。
[0009]进一步的，对于纳克级以上的不平衡质量使用飞秒激光进行快速加工去除，对于纳克级以下的不平衡质量则使用离子束刻蚀进行去除。
[0010]进一步的，所述加工环节在真空环境下进行。
[0011]进一步的，所述飞秒激光脉冲经过时空整形，其中时域整形使用迈克尔逊干涉仪，通过调节其中一个臂的距离来调节时间；空域整形则通过衍射光学元件来实现高斯型向平顶光的转变。
[0012]进一步的，使用外延法测量烧蚀阈值。
[0013]本专利技术还提供一种飞秒激光与离子束刻蚀联合修调半球谐振子的装置，包括：时域整形模块、能量衰减模块、空域整形模块、振镜加工模块、真空模块、频率测试模块、离子束加工模块、侧面成像模块；所述时域整形模块由迈克尔逊干涉仪和一维位移台组成，通过调节干涉仪其中一臂的距离来调节延时，用于实现飞秒
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皮秒级的延时；所述能量衰减模块由半波片和偏振片组成，通过调节半波片的角度来调节激光的能量，以满足不同加工深度的要求；所述空域整形模块由衍射光学元件组成，用于实现高斯型脉冲向平顶型脉冲等形状转变；所述振镜加工模块由振镜和位移台组成，通过程序来来控制激光聚焦位置；所述真空模块由真空腔、机械泵和分子泵组成，用于实现离子束加工和频率特性测试的真空环境；所述频率测试模块由FPGA芯片、AD/DA模块、上位机软件、JTAG接口、串口和电压放大器组成，用于进行扫频或锁相控制；所述离子束加工由离子源和电源组成，用于实现纳克级以下的不平衡质量去除；所述侧面成像模块由LED和工业相机CCD组成，LED用于提供光源，CCD观测加工过程。
[0014]本专利技术的技术效果：1.本专利技术公开的基于飞秒激光和离子束刻蚀修调半球谐振子的方法及装置，采用时空整形后的飞秒激光加工方法与离子束刻蚀加工方法，相比其他调平方法，可以明显改
善谐振子调平质量，得到几十纳米的底面粗糙度，进而实现高质量加工。
[0015]2.本专利技术公开的基于飞秒激光和离子束刻蚀修调半球谐振子的方法及装置，采用飞秒激光与离子束同时加工方式，可实现原子级的不平衡质量去除，结合时空整形的飞秒激光可实现超高精度的跨尺度（飞克
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皮克
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纳克
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微克
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毫克）加工。相较于其他调平方法，减少了调平迭代次数与加工时间，大大提高了调平的质量去除精度和去除效率，首次在真空环境下同时使用两种加工方法，实现了高精度、高效率、跨尺度的高质量去除。
附图说明
[0016]附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所专利技术的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
[0017]图1示出了本专利技术实施例提供的时空整形飞秒激光结合等离子体刻蚀的联合加工装置的结构示意图；图2示出了本专利技术的实施例提供的COMSOL模型有限元仿真示意图；图3示出了本专利技术的实施例提供基于外延法测量的代加工材料的烧蚀阈值；其中，1
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飞秒激光器，2
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第一分束镜，3
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可移动反射镜，4
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞秒激光与离子束刻蚀联合修调半球谐振子的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1 对半球谐振子进行模态分析，建立三维模型，在所述三维模型支撑柱的上下两个平面添加固定约束，得到谐振子的二阶固有频率；同时建立缺陷谐振子模型，仿真调平过程，得到频率裂解值与去除质量的关系；S2 在与半球谐振子材料相同的样品材料上测量半球谐振子材料的烧蚀阈值，确定不同能量对应的加工深度，使用离子束刻蚀样品材料确定去除质量与加工时间、能量、面积的关系，得到不平衡质量对应的加工参数；S3 根据所述S1得到的二阶模态固有频率，使用频率在固有频率
±
5Hz内，频率步长为0.01Hz的交流正弦高压信号激励谐振子，得到半球谐振子幅值信息，分析得到频率裂解值、品质因数和刚性轴位置；S4 使用能量等于材料烧蚀阈值的飞秒激光或者离子源能加工上的最小加工电压进行质量去除，根据实际得到的去除质量与频率裂解值的关系，确定需要去除的质量、加工参数与加工时间；S5 根据所述S4确定需要去除的质量、加工参数与加工时间，使用飞秒激光与离子束刻蚀进行联合加工；S6 重复S3和S5，直至半球谐振子的频率裂解值和加工质量符合要求。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将离子束刻蚀与飞秒激光集成到一个加工工序内，所述离子束刻蚀与飞秒激光加工同时进行。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于纳克级以上的不平衡质量使用飞秒激光进行快速加工去除，对于纳克级以下的不平衡质量则使用离子束刻蚀进行去除。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：姜澜，王猛猛，赵普，周禹初，朱彤，赵丙权，赵小明，
申请(专利权)人：北京理工大学长三角研究院嘉兴中国船舶集团有限公司第七〇七研究所，
类型：发明
国别省市：