[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

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，本发明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。

为实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案。

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；