文/Brett Heintz，Aerotech應(yīng)用工程師

為既定加工過程選擇最佳的自動(dòng)化設(shè)備，需要徹底了解該加工過程的各種工藝參數(shù)以及定位誤差對(duì)加工結(jié)果的影響。

激光直寫應(yīng)用的最新進(jìn)展，為基于工藝參數(shù)選擇最佳定位設(shè)備提供了一個(gè)很好的例子。一般來說，激光直寫系統(tǒng)包含激光源、聚焦光學(xué)元件和定位基板的運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)（見圖1）。

圖1：在典型的激光直寫裝置中，XY運(yùn)動(dòng)通常在基板下方。Z（焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)）可能位于基板下方或附著在物鏡上，具體取決于工藝要求。

傳統(tǒng)上，研究人員使用紫外激光器在熔融石英基板上寫入波導(dǎo)、光纖布拉格光柵、定向耦合器等[1]。在工業(yè)領(lǐng)域，該工藝已成功用于制造光電設(shè)備中實(shí)現(xiàn)光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的耦合器件，還可以制造可穿戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)鏡頭。

直接波導(dǎo)寫入的當(dāng)前應(yīng)用已經(jīng)證明，可以在用于手機(jī)顯示器的康寧大猩猩玻璃（Corning Gorilla Glass）的表面下方和表面上，寫入對(duì)人眼透明的波導(dǎo)[2]。寫在顯示器上的表面等離子體傳感器，有望用于生物傳感和氣體檢測。而馬赫-曾德干涉儀可用于溫度傳感[3]。

為了選擇將波導(dǎo)寫入手機(jī)顯示屏的最佳運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)，必須考慮工藝參數(shù)和應(yīng)用目標(biāo)。首先，波導(dǎo)必須是低損耗的。內(nèi)切波導(dǎo)的波長損失直接取決于直接寫入過程中吸收的能量密度[3]。因此，脈沖相對(duì)于其他脈沖的位置必須是可控的。在固定的脈沖頻率下，依靠平移臺(tái)的速度穩(wěn)定性，可以將脈沖同步到定位設(shè)備。然而，速度不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致脈沖定位誤差；因此用戶將被迫根據(jù)脈沖頻率對(duì)速度進(jìn)行編程。

與其依賴于機(jī)械裝置的速度穩(wěn)定性，不如使用機(jī)械裝置的校準(zhǔn)編碼器位置，在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制的納秒延遲下，在一維、二維或三維的所需位置觸發(fā)激光脈沖。這使得用戶可以輕松地對(duì)運(yùn)動(dòng)文件進(jìn)行編程，而不必?fù)?dān)心二維或三維輪廓中的脈沖位置不一致（見圖2）。

圖2：將激光脈沖頻率與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)編碼器反饋同步，無論指令速度如何，都能在輪廓上產(chǎn)生一致的間距。

圖2a：陽極氧化鋁板上以200mm/s的速度在拐角處進(jìn)行脈沖同步。

在顯示玻璃內(nèi)生產(chǎn)許多基于波導(dǎo)的傳感器，需要內(nèi)切波導(dǎo)的3D位置盡可能接近設(shè)計(jì)位置。定向耦合器等特征由5~9μm寬的多個(gè)波導(dǎo)組成，對(duì)100nm量級(jí)的位置偏差很敏感。因此，定位系統(tǒng)必須在玻璃顯示器表面的平面內(nèi)具有亞微米級(jí)的可重復(fù)性。

傳統(tǒng)的三軸飛秒激光微加工定位系統(tǒng)，如圖3所示的小型實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，由堆疊的XY機(jī)械軸承臺(tái)和獨(dú)立的垂直聚焦臺(tái)組成。隨著致動(dòng)器行程的增加以適應(yīng)手機(jī)顯示器，由于滾動(dòng)軸承元件和載物臺(tái)制造公差引起的離軸誤差變得更加明顯，導(dǎo)致波導(dǎo)之間的定位不一致。

因此，機(jī)械軸承定位器通常被空氣軸承定位器所取代，空氣軸承定位器位于薄薄的空氣膜上，形成非接觸式軸承表面，消除了滾動(dòng)軸承的負(fù)離軸效應(yīng)。此外，空氣薄膜在軸承表面產(chǎn)生平均效應(yīng)，減輕了由于表面缺陷和制造公差引起的誤差，同時(shí)在所有方向上提供了明顯更高的可重復(fù)性。這導(dǎo)致了可重復(fù)的點(diǎn)放置，并最終實(shí)現(xiàn)了更高質(zhì)量的波導(dǎo)器件。

圖3：小型XYZ飛秒激光微加工系統(tǒng)。（圖片來源：Altechna R&D）

為了在XY平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳的亞微米定位，可以使用安裝在感興趣表面的平面鏡和具有高分辨率電子倍增器的激光干涉儀（見圖5）來生成定位誤差圖，該電子倍增器能夠分辨低至0.15nm的運(yùn)動(dòng)。該定位誤差圖可用于校準(zhǔn)波導(dǎo)傳感器刻寫區(qū)域的誤差，實(shí)現(xiàn)±50nm或更高的平面內(nèi)重復(fù)性。H型平面空氣軸承結(jié)構(gòu)（見圖4、圖5）使玻璃基板更靠近定位器的編碼器，減少了堆疊XY系統(tǒng)中常見的離軸誤差。這可以實(shí)現(xiàn)最高精度的激光光斑定位。

圖4：Planar HD平面空氣軸承具有卓越的幾何性能和±50nm的長期重復(fù)性。

圖5：XY平面空氣軸承，集成了Z/Theta Z載物臺(tái)和2D激光干涉儀反饋，用于在光子芯片中直接紫外寫入波導(dǎo)。（圖片來源：英國南安普敦大學(xué)光電研究中心（ORC）Paul Gow博士）

為了將多個(gè)傳感器刻寫在顯示表面上，波導(dǎo)必須寫在玻璃基板內(nèi)的3D空間中。在加工過程中，焦點(diǎn)沿聚焦方向的動(dòng)態(tài)移動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生所需的3D波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在XY輪廓運(yùn)動(dòng)期間，在聚焦方向上的定位必須快速且高度精確，以確保波導(dǎo)之間不會(huì)因光斑定位不準(zhǔn)確而發(fā)生意外耦合。基于彎曲的納米壓電平臺(tái)（見圖5a）可以在距離顯示表面400μm的整個(gè)深度內(nèi)，提供快速、準(zhǔn)確的光斑定位（見圖5b）。電容探針反饋實(shí)現(xiàn)了<10nm的可重復(fù)性，允許直接在顯示器表面下方進(jìn)行波導(dǎo)寫入，用于傳感應(yīng)用。

圖5a：QFocus基于彎曲的壓電技術(shù)，允許在直接寫入過程中通過移動(dòng)物鏡來快速調(diào)節(jié)焦深。

圖5b：QFocus，沒有有效載荷，在移動(dòng)400μm后，能在不到15ns的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定在1%的窗口內(nèi)。在不到30ms的時(shí)間內(nèi)，可以用150g的有效載荷執(zhí)行相同的步驟。

為既定的加工過程成功選擇精密定位設(shè)備，需要對(duì)工藝參數(shù)及其與定位設(shè)備的關(guān)系有著深入的了解。先進(jìn)的制造技術(shù)，如手機(jī)顯示屏中波導(dǎo)的激光直寫，結(jié)合優(yōu)化的精密定位設(shè)備，有望實(shí)現(xiàn)前所未有的優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新應(yīng)用，如集成到手機(jī)顯示屏中的個(gè)人生物傳感和化學(xué)檢測能力。

參考文獻(xiàn)

[1] J. Gates, C. Sima, C. Holmes, P. Smith (2013). UV direct writing of planar waveguides: basics and applications. 

https://spie.org/news/5036-uv-direct-writing-of-planar-waveguides-basics-and-applica tions?SSO=1 

[2] J. Lapointe, M. Gagné, M. Li, R. Kashyap (2014). Making smart phones Smarter with photonics. OPTICS EXPRESS 15474. Vol. 22 No. 13, DOI:10.1364/OE.22.015473 

[3] J. Lapointe, F. Parent, S. Loranger, M. Gagne, R. Kashyap (2015). Empowering Cell Phones with Photonics. IEEE