在激光制造领域，超快激光微纳制造技术是实现精密制造和改性的有效方式之一，其原因在于：飞秒激光具有极短的脉宽和极高的峰值功率，聚焦后的飞秒激光束可在极短时间和极小空间内实现材料的选择性去除和改性，且不会产生能量扩散现象、冲击波效应、热影响区等不良影响。人们已利用超快激光制造技术，在各种材料表面或内部制造各种功能微纳结构，如应用于太阳能电池及红外光电探测器的宽谱高吸收“黑硅”结构^[1-3]、应用于防水防锈的金属表面超疏水疏油结构^[4-5]和应用于热传感的光纤内部布拉格光栅结构^[6]等。

超快激光制造系统主要由飞秒激光器、光束传输系统、高精度三维移动平台、在线监测系统等四部分构成：飞秒激光器用于提供制造微纳结构的光源；光束传输系统由各类光学元件组成，用于激光束的传输和聚焦；三维移动平台用于放置样品，通过平台移动实现各种微纳结构的制造；在线监测系统一般是光学显微镜，用于对样品表面对焦、平整度判断、激光制造过程监控等。这四部分的有效协同控制是保证超快激光制造系统的高精度、高质量和高稳定性的关键。国内大多数开展超快激光制造研究的单位，如北京理工大学^[7]、吉林大学^[8]、西安交通大学^[9]和北京工业大学^[10]等，利用自行开发或厂商提供的运动控制软件开展相关研究工作，在实验中存在以下缺点或不足：(1)系统集成度低，运动控制软件和光学显微软件相互独立，实验中需切换两个软件界面观察，影响实验效率；(2)下位机运动控制程序尚未使三维移动平台的精度充分发挥；(3)激光参数尚未进行实时监测，无法监测长时间加工过程中可能出现的参数异常。针对以上缺点导致的超快激光制造系统加工质量不高、精度低、效率低等问题，本论文对超快激光制造系统进行三方面的改进：(1)提升系统集成度，利用LabVIEW软件将三维移动平台、机械快门、光学显微系统等关键单元集成于同一界面控制；(2)优化下位机三维移动平台的控制程序，使平台性能得到最大限度的发挥；(3)增加飞秒激光功率实时采集，用于监测激光状态。实验证明，该设计能够有效保证超快激光制造系统的稳定性和平台的精度，并提高超快激光制造系统的实验效率。

1.   系统结构设计

图 1是超快激光制造系统示意图和系统实物图。飞秒激光束(800 nm/30 fs/1 kHz/1 W)从激光器出射后，依次经过光阑1、可调衰减片、光阑2、分束镜、机械快门、反射镜1、反射镜2和反射镜3后，被光学显微镜的聚焦物镜头(5×，10×，20×，50×，100×等)聚焦至样品表面或内部，样品固定于高精度三维移动平台上，激光制造过程通过显微镜系统配备的CCD进行在线监测，同时，在分束镜后配置功率计以对激光功率进行实时监测。上述提及的各部件的功能如下：(1) 光阑1和光阑2主要用飞秒光束尺寸的调节和定位；(2) 可调衰减片用于调节激光功率；(3) 分束镜用于分光，一束(大功率)用于激光加工，一束(小功率)用于功率监测；(4) 机械快门根据其驱动器发出的信号控制光束的通与断；(5) 光学物镜用于激光束的聚焦和制造过程中样品成像；(6) 高精度三维移动平台用于放置样品，样品根据软件规划的路径移动，在聚焦激光束的作用下，实现微纳结构的制造；(7) CCD用于对激光制造过程实时监测及样品的初步观察。

图  1  超快激光制造系统

Figure  1.  Ultrafast laser manufacturing system

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图 2是超快激光制造系统的组成框图。该系统包括运动控制单元、在线监测单元、光束通断单元等三部分：(1) 运动控制单元，采用ALIO三维直线电机气浮平台，重复定位精度为30 nm，有效行程为100 mm×100 mm×50 mm，该平台配备有PMAC运动控制卡，采用TCP/IP协议网线与计算机相连；(2) 在线监测单元，该单元分为两部分，一部分由显微物镜和高清CCD组成，采用USB 3.0接口与计算机相连，另一部分由激光功率探头和功率计组成，采用USB-RS232接口与计算机相连，根据分束镜的分光比得出用于制造样品的激光功率；(3) 光束通断单元，由机械快门和快门驱动器组成，通过USB-RS232接口与计算机连接。上述三个单元通过基于LabVIEW平台开发的软件集成于同一软件控制。

图  2  超快激光制造系统框图

Figure  2.  Block diagram of ultrafast laser manufacturing system

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2.   系统软件设计

LabVIEW是基于图形化语言的软件开发平台，在数据采集和工业控制领域得到广泛应用，具有友好的可视化界面，易于模块化设计，更易于实现多线程编程和多接口外部通信，相对于传统的代码式软件开发，缩短了软件的开发周期，提高了系统的稳定性和可靠性，具有经济、灵活，维护、扩展和升级方便等优点^[11-14]。

从图 2可知，超快激光制造系统的外部通信端口较多，在加工过程中通信数据需实时传输。在控制软件开发过程中，为充分保证数据传输的实时性，采用多线程编程技术进行软件开发。软件程序按优先级别的高低分为四个线程：线程一是PMAC运动控制卡控制，主要任务是PMAC运动控制卡初始化、三维移动平台实时位移位置显示、移动控制、参数设置等；线程二是制造路径规划及控制，主要任务是控制激光加工路径，并实现机械快门与之协同；线程三是激光功率采集，主要任务是激光功率采集、数据存储等；线程四是高清CCD图像采集和实时处理，主要处理任务是USB3.0高清CCD摄像头数据接口与计算机通信、高清CCD图像数据采集显示、实时图像标尺、样品尺寸测量等。

图 3是超快激光制造系统软件界面，包含三维移动平台控制、在线监测、光束通断等三部分。

图  3  超快激光制造系统软件界面

Figure  3.  Software interface of ultrafast laser manufacturing system

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(1) 三维移动平台控制部分，主要用于高精度三维移动平台控制，由中心坐标、运动控制及加工功能等三部分组成：①中心坐标显示及控制，可实时显示中心“+”的实时的相对坐标(X₁，Y₁，Z₁)和绝对坐标(X，Y，Z)；②运动控制，分为点运动和连续运动，点运动主要应用于步进值为1 μm(最小可在后台程序中更改为0.01 μm)的渐进微调，连续运动主要应用于根据设置的行程进行粗调。同时，为保证实验中样品加工从同一基准点出发，增加设置零点、返回零点、平台校准等功能；③加工功能，包括直线加工、圆加工、点阵加工、钻孔、切割等，以直线加工为例，可根据实际需要设置加工方向(X方向或Y方向)、扫描方式(单向或双向)、加工长度、扫描速度、回程速度、间隔和次数等。需要指出的是，本系统在加工功能部分增加进度条，以方便实验中判断加工进度。

(2) 在线监测部分，主要用于制造过程和激光功率的在线监测，其功能有四个：①相机参数设置，如颜色校正、增益调节、白平衡等，并可根据需求进行手动和自动调节；②显微物镜头选择，如5×(NA=0.13)，10×(NA=0.25)，20×(NA=0.40)，50×(NA=0.75)，100×(NA=0.85)等，为保证图像显示尺寸的准确性，首先利用扫描电镜测定标准样品尺寸，然后利用本系统光学显微镜在不同放大倍数下对其进行测量，最后根据其标准长度与像素数之间的关系，得出其标尺；③图像显示，如标尺、带有刻度的中心“+”等。另外，在该部分增加保存图片功能以方便加工样品的初步观察并保存数据；④激光功率的实时监测。

(3) 光束通断部分，主要用于激光束的通断控制，其最小开关时间为1 ms。

利用LabVIEW软件平台将三维移动平台控制、在线监测、光束通断等三部分进行系统集成，与现有自行开发或厂商提供的运动控制软件的激光制造系统^[7-10]相比较，该系统加工软件功能更加完善，并且集成控制简化了实验中繁琐的操作过程，提高了系统的可操作性，从而提高实验效率。

3.   系统应用实例

(1) 半导体Si表面微纳结构的超快激光制造。当激光功率P=50 mW，扫描速度u=500 μm/s，聚焦镜头为5×，其数值孔径NA=0.13，使用圆加工模式时，可获得线宽10 μm的奥运五环(图 4(a))、奥迪车标(图 4(b))、同心圆(图 4(c))；在相同参数下，使用点阵加工模式时，可得到如图 4(d)所示的10 μm量级的孔洞点阵结构；当调节激光功率至P=30 mW，扫描速度u=600 μm/s，扫描间隔D=8 μm，使用直线加工模式时，可获得如图 4(e)的“黑硅”结构；当调节加工间隔D=2 μm，扫描速度为u=2000 μm/s时，可获得如图 4(f)所示的附着纳米颗粒的条纹结构。

图  4  Si表面微纳结构SEM图

Figure  4.  SEM images of Si surface microstructure

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(2) 金属Cu和Ti表面微纳结构的超快激光制造。当激光功率P=10 mW，扫描速度u=500 μm/s，聚焦镜头为10×，数值孔径NA=0.25，采用直线加工模式时，可获得如图 5(a)所示的Cu表面周期条纹结构；当激光功率P=10 mW，扫描速度u=1000 μm/s，聚焦镜头为10×，数值孔径NA=0.25，采用直线加工模式时，可获得如图 5(b)所示的Cu表面波纹结构，并且在条纹中间产生百nm的孔洞结构；当激光功率P=15 mW，扫描速度u=1000 μm/s，聚焦镜头为10×，数值孔径NA=0.25，扫描间隔D=7 μm，采用直线加工模式时，可获得如图 5(c)所示的Ti表面条纹结构；当激光功率P=15 mW，扫描速度1000 μm/s，聚焦镜头为10×，其数值孔径NA=0.25，扫描间隔D=7 μm，采用直线加工模式，交叉扫描，可获得如图 5(d)所示的Ti表面网格结构。

图  5  表面微结构

Figure  5.  Surface microstructures

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4.   结论

本文基于LabVIEW软件平台，利用多线程编程技术，将超快激光制造系统的运动控制、CCD在线监测和机械快门等部件集成于同一界面控制，并增加激光功率监测功能，解决了当前大部分超快激光制造系统集成化程度低、操作繁琐、实验效率不高等问题。实验表明，系统操作简洁、界面友好、性能稳定、实验调试方便。利用该平台，可开展基于超快激光制造方面的基础研究和应用基础研究。