[發明專利]時空頻整形飛秒激光的半球諧振陀螺基座電極刻型方法

在審

• 申請號: 202210183878.8
• 申請日: 2022-02-28
• 公開（公告）號: CN114289859A
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 姜瀾;朱偉華;王素梅;王猛猛;伊鵬
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B23K26/04
• 分類號: B23K26/04;B23K26/06;B23K26/0622;B23K26/362;B23K26/70
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發明公開的時空頻整形飛秒激光的半球諧振陀螺基座電極刻型方法，屬于飛秒激光刻型應用技術領域。本發明包括飛秒激光加工子系統、脈沖時間整形器、空間光整形器、頻域整形子系統、成像子系統、計算機控制系統和高精度五軸平移臺。本發明通過將飛秒激光時域精確調制，抑制材料基底燒蝕和熱彈性應力，實現基座電極刻型低基底損傷、低應力加工；通過圓形平頂光束空域整形調制，改善基座電極刻型邊緣質量，同時勻化基底燒蝕，實現電極低基底粗糙度加工；通過激光倍頻調制，使激光能量主要沉積于電極層，降低基座電極刻型中基底燒蝕程度。采用時空頻整形飛秒激光，實現半球諧振陀螺基座電極高精度、低應力及低損傷刻型，提升慣性導航器件的綜合性能。

技術領域

本發明涉及一種時空頻整形飛秒激光的半球諧振陀螺基座電極刻型方法，屬于飛秒激光刻型應用技術領域。

背景技術

半球諧振陀螺是一種體積小、穩定性好、抗電磁干擾能力強的高精度慣性導航器件，在海陸空天等多領域重要裝備中實現關鍵應用。目前，美國的Northrop Grumman公司、法國的Safran公司、俄羅斯的拉明局在半球諧振陀螺制造領域居于領先地位，我國的半球諧振陀螺精度仍然落后于這些國家。

半球諧振陀螺系統通過讀取半球諧振子唇緣與基座電極形成的電容變化來激勵半球諧振子的振動與檢測其振型的進動變化，從而實現對載體旋轉角速度的探測。電容變化感知精度直接由電極制造精度決定，基座電極的位置誤差直接影響半球諧振陀螺系統的激勵與檢測電路環路的精度與穩定性?；姌O膜層刻型對半球諧振子高頻振動激勵和檢測諧振波型起關鍵作用，電極制造精度及膜層可靠性嚴重影響到半球諧振陀螺性能。

目前基座電極多采用金/鉻復合薄膜異質電極的形式，國內外多采用離子刻蝕結合等向刻蝕、普通激光加工技術來實現基座電極膜層刻型，存在熱擴散明顯、可控性差、效率低、合格率低等缺點。飛秒激光加工熱影響區小，去除厚度與精度可控，是在異質金屬電極膜層上選擇性加工高精度電極的最優方法。但是，由于異質金屬電極膜層表面超高的反射率及異質金屬電極完全去除需求，在實際應用過程中，需要高激光通量和大激光重疊率的飛秒激光進行燒蝕。利用常規飛秒激光加工時，在光斑重疊區容易出現嚴重基底燒蝕以及產生較大殘余熱應力，影響異質金屬電極可靠性。此外，常規飛秒激光光場分布為高斯型，加工后邊緣區域容易出現鋸齒狀分布毛刺，影響異質金屬電極刻型精度。因此，異質金屬電極刻型亟待實現高尺寸精度、高邊緣質量的精密加工方法，亟待實現膜層基底無損傷、低槽底粗糙度的選擇性去除加工。因此，發明一種基于時空頻整形飛秒激光半球諧振陀螺基座電極刻型新方法及加工系統至關重要。

發明內容

本發明的主要目的是提供一種時空頻整形飛秒激光的半球諧振陀螺基座電極刻型方法及相對應的加工系統，在保證常規飛秒激光高精度加工半球諧振陀螺基座電極的基礎上，能夠解決其伴生的基底過度燒蝕、邊緣毛刺增多和殘余熱應力增大等問題。本發明能夠實現高精度、低應力、低粗糙度的電極加工，以匹配慣性導航器件低電容偏差值、低噪聲的應用需求。

本發明是通過如下技術方案實現的。

本發明公開的時空頻整形飛秒激光的半球諧振陀螺基座電極刻型方法，飛秒激光經過脈沖時間整形器、空間光整形器、倍頻晶體，即經過時空頻整形后用于半球諧振陀螺基座電極刻型，實現高精度、低應力、低粗糙度的電極加工，以匹配慣性導航器件低電容偏差值、低噪聲的應用需求。

本發明公開的一種時空頻整形飛秒激光的半球諧振陀螺基座電極刻型加工系統，用于實現所述基于時空頻整形飛秒激光的半球諧振陀螺基座電極刻型方法。所述時空頻整形飛秒激光的半球諧振陀螺基座電極刻型加工系統包括飛秒激光加工子系統、脈沖時間整形器、空間光整形器、頻域整形子系統、成像子系統、計算機控制系統和高精度五軸平移臺。

飛秒激光加工子系統，用于對半球諧振陀螺基座電極進行圖案化加工；飛秒激光加工子系統包括飛秒激光器、第一光闌、電控快門、半波片、格蘭泰勒棱鏡、衰減盤、第二光闌、二向色鏡、物鏡；飛秒激光脈沖依次經過上述部件后，到達半球諧振陀螺基座電極的表面，對半球諧振陀螺基座電極進行圖案化加工。