[发明专利]激光冲击微调校方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电系统(MEMs)调校技术和激光微成形技术，尤其是一种适用于金属表面弯曲曲率的微调校，如微机械悬臂梁的微调校方法及其装置，具体地说是一种激光冲击微调校方法及装置。

背景技术

    目前，随着现代科学技术的发展，产品微型化的趋势日趋加快，对微、小型零件的需求量也越来越大，特别是微机电系统(MEMS)领域的飞速发展。在这些行业和领域中，微机械悬臂发挥了重要作用。悬臂被广泛用于极其灵敏的物理，化学和生物传感器上。然而，为了获得更高的灵敏度，应用于传感器上的微机械悬臂通常是薄的，这是对调校技术的一种挑战。传统的通过加载机械力或动态冲击力来实现调校的机械调校方法因为其不理想的精度和耗时性而不能满足这一要求。这就需要有一个精确，非接触式的调校方法来实现微机械悬臂弯曲角度和弯曲方向的调整。

近年来出现了一种利用激光诱导的热效应实现微机械结构的调整方法，可以在不使用工具或加载外力的情况下改变试样形状。该技术被认为是一种温度场与形变场相互影响相互作用的过程，属于复杂的热力耦合问题，即通过产生温度梯度在微机械悬臂表面产生残余应力。当激光束照射到目标表面，目标表面被加热，并在厚度方向上产生非均匀的温度场。产生的热应力可以实现塑性变形，如弯曲变形。通过改变激光作用参数，可以得到不同的弯曲角度和弯曲方向用以调整微机械悬臂。以前的作品表明，关于激光热成形技术有三种常见的成形机制，即：温度梯度机制（TGM），屈曲机制（BM），增厚机制（UM）。

    然而，由于热成形机制取决于由激光诱导产生的温度场，这种温度场是被工件的几何形状，激光功率，激光束直径，扫描速度，扫描路径等所影响决定的，这会使弯曲的方向不明朗，并使形成复杂的形状和高精度曲率修改的过程变得很难控制。此外，热效应会导致不良的微观结构产生，包括在此过程中产生非预期的相变和再结晶。它可能会熔化或烧蚀目标表面，甚至在其表面上产生小裂缝。因此，利用激光热调校技术很难保持微机械悬臂材料的性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有的激光热调校存在的温度效应大，变形量难以控制，很难实现微调校，而接触式机械微调校精度难以控制的问题，发明一种非接触的采用激光诱导冲击波，对靶材进行弯曲微调校的方法及装置。

本发明的技术方案之一是：

一种激光冲击微调校方法，其特征是它包括以下步骤：

    首先，将悬臂状靶材打磨，以保证靶材表面光滑与平整度，并采用无水酒精清洗靶材表面，保证靶材的清洁；

其次，在靶材表面涂上黑漆形成不透明层涂层，以保证靶材对激光的吸收率；

第三，将涂有黑漆的靶材放入作为约束层的水中，利用水作为约束层，覆盖于黑漆表面；

第四，将靶材的一端用夹具紧固，另一端呈悬臂状以保证位置，开启纳秒脉冲激光器，调节好光路，使由纳秒脉冲激光器输出的激光经平面反射镜聚焦透镜聚焦于靶材表面，然后对纳秒脉冲激光进行单次或多次发射操作，从而实现靶材的单或多次脉冲激光冲击；当高能量的脉冲激光束照射到靶材表面，不透明涂层瞬间产生汽化变成高温高压等离子；伴随着不透明涂层的烧蚀，产生的等离子体体积逐渐扩大，产生冲击波，进而对靶材表面施加机械压应力；不透明的涂层作为牺牲层材料，用以避免短脉冲激光照射靶材表面产生的热效应作用，透明的约束层延迟了热膨胀和局限了等离子体空间位置，从而产生更高的压力，因为靶材被做成微机械悬梁形状，拥有一自由端，一固定端，当激光束照射到靶材的自由端时，向下的冲击载荷赋予靶材冲击区域以向下的惯性，当激光束停止照射时，由于惯性，靶材的自由端继续向下运动，导致局部塑性变形的产生，局部塑性变形的产生引发冲击区域的物质流流动，致使靶材塑性变形，产生弯曲变形，因此通过调整激光的能量即能控制靶材悬臂端变形程度，实现悬臂端变形的微调校。

所述的激光的工作状态参数为波长532nm或1064nm输出单脉冲。

本发明的技术方案之二是：