基于激光捕获原理的超精密加工技术研究

　　0　引言

　　激光捕获(LaserTrapping),又称光镊(OpticalTweezers),是利用光与物质之间的动量传递作用所形成的三维势阱实现对微粒的控制和移动的技术[1]。1987年,美国科学家A Ashkin首次用完整的理论体系阐述了激光捕获的原理,并且运用单束激光成功实现在实验池中对微粒进行三维捕获[1-3]。激光捕获技术由于其可在微米乃至纳米范围内进行操作,所以在生物领域、医学领域以及原子物理领域等得到了广泛应用[4]。

　　近年来,超精密加工技术越来越受到重视。超精密加工对加工精度提出了越来越高的要求。为了满足高精度要求,超精密金刚石刀具切削机床、超精密磨削机床等超精密大型加工设备不断出现[5]。光学系统由于其可实现微米乃至纳米范围内进行操作的优点,在要求高精度的场合成为首选。尤其是激光的出现,以及激光捕获概念的提出与发展,光学系统在精密加工领域开始得到应用。1997年Gauthier首次将激光捕获理念应用于精密加工领域,通过激光对微粒的捕获、移动等动作实现对微小部件的操作及组装[6]。激光捕获技术可以对纳米尺度的粒子进行操作,因而探索其在超精密加工领域的应用具有重要意义。然而,激光捕获技术在精密加工中的应用目前尚不多见。作者通过将激光捕获技术引入到超精密加工领域,提出了“基于激光捕获原理的超精密加工”的概念,其基本思想是通过应用激光捕获技术对被加工工件的表面进行操作,从而实现特定的超精密加工功能。

　　1　激光捕获的原理

　　激光捕获的基本原理是利用光的力学效应。根据光学基本原理,光具有波粒二相性。光可以看作是由带有能量和动量的微粒构成的,即具有能量和动量是光的一个基本属性。当光与物质相接触后会彼此交换能量和动量。同时在与物体接触的过程中,由于光的辐射会对物体施加压力,产生光辐射压力。激光捕获作用的产生是由于光射入不同折射率的介质后,其传播方向发生改变,相应地,该束光的动量也发生了变化,由系统动量守恒定律可知,光改变的动量传递到了被照射的介质中,即对被照射物体产生了作用力。光阱的产生主要是由于梯度力的作用,其方向指向焦点位置。

　　2　超精密加工技术

　　随着工艺水平的不断提高,不同年代对精密加工、超精密加工有着不同的划分界限,但并无严格、统一的标准。从目前机械加工的工艺水平来看,加工精度0·1~1μm,加工表面粗糙度Ra=0·02~0·1μm为精密加工;加工精度高于0·1μm,加工表面粗糙度Ra<0·01μm为超精密加工(亚微米加工)[5]。应用超精密加工技术可提高机电产品性能、质量、可靠性等因素,是实现节材节能的重要途径。例如,提高滚动轴承的滚动体和滚道的加工精度,就可提高轴承的转速,减少振动;提高半导体器件的刻线精度可提高微电子芯片的集成度[5]。目前,精密加工、超精密加工技术的应用已不再局限于国防、航空、航天等少数尖端领域,各种民用领域也开始使用超精密加工技术,如计算机、通信、影视传媒等行业都开始采用超精密加工技术以加快该领域的发展[7]。激光捕获技术可以实现在纳米范围对微粒进行操作。将其应用于超精密加工领域,对于提高具有高精度要求的设备的加工精度、提升我国的制造业水平具有积极的意义。