如何选择激光直接写入过程的最佳定位设备

为给定过程选择最佳自动化设备需要彻底了解过程参数和定位误差对结果的影响。激光直接写入应用的最新进展提供了基于过程参数选择最佳定位设备的优秀示例。通常，激光直接写入过程由激光源，聚焦光学和运动子系统组成，用于将基板定位在光束下方（图1）。传统上，研究人员使用了该过程来使用UV激光器将波导，光纤布拉格光栅，定向耦合器等写入熔化的二氧化硅基材[1]。在工业中，该过程已被用于成功制造用于光电器件中的光学对准的耦合装置，并制造可穿戴的增强现实镜头。直接波导写作的目前应用已经证明了对人眼透明的，在下方和用于移动电话显示的康宁大猩猩玻璃表面的能力[2]。写入显示器上写的表面等离子体传感器具有用于生物传感和气体检测的可能性。虽然Mach-Zehnder干涉仪可用于温度感测[3]。

要选择用于将波导铭刻到移动电话显示的最佳运动子系统，必须考虑过程参数和应用程序目标。首先，波导必须低损耗。刻录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，必须控制相对于其他脉冲的脉冲放置。可以通过在固定烧制频率下依赖于平移阶段的速度稳定性来使脉冲同步到定位设备。然而，速度不稳定性将导致脉冲定位错误，并且用户将被迫基于烧制频率对速度进行编程。而不是依靠力学的速度稳定性，该力学的校准编码器位置可用于触发一个，两个或三维的所需位置处的激光脉冲，其中纳秒延迟来自运动系统控制。这允许用户容易地编程运动轮廓，而不担心在整个二维或三维（3D）轮廓中的脉冲放置不一致（图2）。

在显示玻璃内的许多基于波导的传感器的生产需要铭刻波导的3D位置尽可能靠近设计位置。定向耦合器等特征，由多个波导五到九个微米宽，对大约100nm的定位偏差敏感。因此，定位系统必须在玻璃显示器表面的平面中具有亚微米可重复性。传统的三轴飞秒激光微机械定位系统，如图3所示的小格式实验室系统，包括堆叠的XY机械级和独立的垂直聚焦阶段。随着执行器的增加以适应移动电话显示，由于滚动轴承元件和阶段制造公差导致的轴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用坐在空气薄膜上的空气轴承定位器代替，产生非接触式轴承表面，从而消除滚动元件轴承的负脱轴效应。另外，空气薄膜在轴承表面上产生平均效果，由于表面缺陷和制造公差而减轻了误差，同时在所有方向上提供明显更高的可重复性性能。这导致可重复点放置，最终，最终，高质量的波导器件。

为了在XY平面中实现最佳的子微米定位，安装在感兴趣的表面和激光干涉仪（图5）的平面镜，能够将动作解析为0.15nm，可用于生成地图定位错误。该地图可用于校准波导传感器将铭刻的区域上的误差，实现+/- 50nm或更好的面内重复性。H风格，平面空气轴承架构（图4，图5）将玻璃基板更靠近定位器的编码器，减少了堆叠XY系统中典型的轴轴误差。这导致可实现的最高精度激光点放置。

为了忽略多个传感器进入显示表面，必须将波导写入玻璃基板内的3D空间中。在处理期间侧焦点沿焦点方向的动态移动产生所需的3D波导结构。在XY轮廓运动期间定位在焦点方向上必须快速且高度准确，以确保由于点的位置不准确而不会发生波导之间的无意耦合。基于挠性的压电纳米载剂（图5A）可以在距显示表面的400微米深度中提供快速，精确的点放置（图5B。）。电容探头反馈实现<10nm的可重复性，允许波导在显示器的表面下方写入，以进行传感应用。

成功选择精密定位设备以进行运动中的过程需要对过程参数的潜在知识及其与定位设备的关系。先进的制造技术，如激光直接写在手机上的波导，依靠优化的精密定位设备，实现新的应用，潜力提供先前不完美的益处，例如个人生物体传感和化学检测能力集成到移动电话显示中。

参考

^{[1] J. Gates，C.Ima，C.Polmes，P. Smith（2013）。平面波导的UV直接写作：基础和应用。https://spie.org/news/5036-uv-direct-writing-of-planar-waveguides-basics-and-applications?sso=1
[2] J.Rapointe，M.Gagné，M. Li，R. Kashyap（2014）。使智能手机更聪明地与光子学。光学表达35474。卷。22号13，DOI：10.1364 / OE.22.015473
[3] J.Rapointe，F.父母，S. Loranger，M.Gagne，R. Kashyap（2015年）。用光子学赋予手机。IEEE.}