文/Brett Heintz，Aerotech应用工程师

为既定加工过程选择最佳的自动化设备，需要彻底了解该加工过程的各种工艺参数以及定位误差对加工结果的影响。

激光直写应用的最新进展，为基于工艺参数选择最佳定位设备提供了一个很好的例子。一般来说，激光直写系统包含激光源、聚焦光学元件和定位基板的运动子系统（见图1）。

图1：在典型的激光直写装置中，XY运动通常在基板下方。Z（焦点运动）可能位于基板下方或附着在物镜上，具体取决于工艺要求。

传统上，研究人员使用紫外激光器在熔融石英基板上写入波导、光纤布拉格光栅、定向耦合器等[1]。在工业领域，该工艺已成功用于制造光电设备中实现光学对准的耦合器件，还可以制造可穿戴增强现实镜头。

直接波导写入的当前应用已经证明，可以在用于手机显示器的康宁大猩猩玻璃（Corning Gorilla Glass）的表面下方和表面上，写入对人眼透明的波导[2]。写在显示器上的表面等离子体传感器，有望用于生物传感和气体检测。而马赫-曾德干涉仪可用于温度传感[3]。

为了选择将波导写入手机显示屏的最佳运动子系统，必须考虑工艺参数和应用目标。首先，波导必须是低损耗的。内切波导的波长损失直接取决于直接写入过程中吸收的能量密度[3]。因此，脉冲相对于其他脉冲的位置必须是可控的。在固定的脉冲频率下，依靠平移台的速度稳定性，可以将脉冲同步到定位设备。然而，速度不稳定会导致脉冲定位误差；因此用户将被迫根据脉冲频率对速度进行编程。

与其依赖于机械装置的速度稳定性，不如使用机械装置的校准编码器位置，在运动系统控制的纳秒延迟下，在一维、二维或三维的所需位置触发激光脉冲。这使得用户可以轻松地对运动文件进行编程，而不必担心二维或三维轮廓中的脉冲位置不一致（见图2）。

图2：将激光脉冲频率与运动系统编码器反馈同步，无论指令速度如何，都能在轮廓上产生一致的间距。

图2a：阳极氧化铝板上以200mm/s的速度在拐角处进行脉冲同步。

在显示玻璃内生产许多基于波导的传感器，需要内切波导的3D位置尽可能接近设计位置。定向耦合器等特征由5~9μm宽的多个波导组成，对100nm量级的位置偏差很敏感。因此，定位系统必须在玻璃显示器表面的平面内具有亚微米级的可重复性。

传统的三轴飞秒激光微加工定位系统，如图3所示的小型实验室系统，由堆叠的XY机械轴承台和独立的垂直聚焦台组成。随着致动器行程的增加以适应手机显示器，由于滚动轴承元件和载物台制造公差引起的离轴误差变得更加明显，导致波导之间的定位不一致。

因此，机械轴承定位器通常被空气轴承定位器所取代，空气轴承定位器位于薄薄的空气膜上，形成非接触式轴承表面，消除了滚动轴承的负离轴效应。此外，空气薄膜在轴承表面产生平均效应，减轻了由于表面缺陷和制造公差引起的误差，同时在所有方向上提供了明显更高的可重复性。这导致了可重复的点放置，并最终实现了更高质量的波导器件。

图3：小型XYZ飞秒激光微加工系统。（图片来源：Altechna R&D）

为了在XY平面内实现最佳的亚微米定位，可以使用安装在感兴趣表面的平面镜和具有高分辨率电子倍增器的激光干涉仪（见图5）来生成定位误差图，该电子倍增器能够分辨低至0.15nm的运动。该定位误差图可用于校准波导传感器刻写区域的误差，实现±50nm或更高的平面内重复性。H型平面空气轴承结构（见图4、图5）使玻璃基板更靠近定位器的编码器，减少了堆叠XY系统中常见的离轴误差。这可以实现最高精度的激光光斑定位。

图4：Planar HD平面空气轴承具有卓越的几何性能和±50nm的长期重复性。

图5：XY平面空气轴承，集成了Z/Theta Z载物台和2D激光干涉仪反馈，用于在光子芯片中直接紫外写入波导。（图片来源：英国南安普敦大学光电研究中心（ORC）Paul Gow博士）

为了将多个传感器刻写在显示表面上，波导必须写在玻璃基板内的3D空间中。在加工过程中，焦点沿聚焦方向的动态移动，会产生所需的3D波导结构。在XY轮廓运动期间，在聚焦方向上的定位必须快速且高度精确，以确保波导之间不会因光斑定位不准确而发生意外耦合。基于弯曲的纳米压电平台（见图5a）可以在距离显示表面400μm的整个深度内，提供快速、准确的光斑定位（见图5b）。电容探针反馈实现了<10nm的可重复性，允许直接在显示器表面下方进行波导写入，用于传感应用。

图5a：QFocus基于弯曲的压电技术，允许在直接写入过程中通过移动物镜来快速调节焦深。

图5b：QFocus，没有有效载荷，在移动400μm后，能在不到15ns的时间内稳定在1%的窗口内。在不到30ms的时间内，可以用150g的有效载荷执行相同的步骤。

为既定的加工过程成功选择精密定位设备，需要对工艺参数及其与定位设备的关系有着深入的了解。先进的制造技术，如手机显示屏中波导的激光直写，结合优化的精密定位设备，有望实现前所未有的优势和创新应用，如集成到手机显示屏中的个人生物传感和化学检测能力。

参考文献

[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