一种光学元件CO2激光重熔与气化复合抛光方法技术

本发明专利技术涉及一种光学元件CO2激光重熔与气化复合抛光方法，该方法以CO

A CO 2 laser remelting and gasification compound polishing method for optical elements

【技术实现步骤摘要】
一种光学元件CO2激光重熔与气化复合抛光方法
本专利技术涉及光学元件抛光，具体地说是一种光学元件CO2激光重熔与气化复合抛光方法。
技术介绍
目前光学元件的抛光方法根据是否与被加工件直接接触分为接触式抛光和非接触式抛光，主要有气囊抛光、小工具抛光、离子束抛光、激光抛光等，前者属于接触式抛光容易将杂质嵌入光学元件，后者属于非接触式抛光不会将杂质引入光学元件，无压应力且残余应力小。激光抛光不像磁流变抛光对环境、靶材等要求较高，具有应用范围广、操作方便、精度高、效率高等优点。根据激光与物质作用方式不同，激光抛光可分为热抛光和冷抛光，激光热抛光采用连续长波长激光或长脉冲激光，利用激光与物质作用产生的热效应，通过熔化、蒸发等方法实现抛光目的。一般采用熔融式或气化式实现对光学元件表面的抛光，但是采用熔融抛光时，需要精确控制好影响流动量的熔池几何形状、光斑驻留时间等因素，采用气化抛光时，需要调整好入射光角度、能量密度等工艺参数，为了实现精抛的目的，无论熔融或气化抛光均需要采用逐层抛光的方法。熔融抛光主要有效率相对低、有残余热应力、易有气孔等缺点；气化抛光存在抛光精度越高，激光入射角度越难确定的困难，烧蚀气化物清除难，抛光效果差等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种光学元件CO2激光重熔与气化复合抛光方法，提高光学元件抛光效率和质量，且不会引入杂质。本方法采用熔化抛光、蒸发抛光交替进行的方法实现快速、精抛目的。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超光学元件抛光方法，包括清洗与干燥光学元件、CO2激光重熔抛光、CO2激光气化抛光，通过CO2激光对光学元件表面交替进行的逐层重熔抛光和气化抛光。CO2激光修复的步骤具体为：第一步，在万级洁净间里，将试样放入超声清洗装置清洗干净，然后取出用吹风机在常温模式下吹干试样；第二步，将试样放置到工作台上并固定好，保证待重熔抛光表面与激光方向垂直；第三步，开启CO2激光系统，绘制扫描轨迹的图形，抛光区域面积为试样待抛光表面的1.01～1.1倍，将此图形导入激光系统；第四步，重熔抛光时，调节激光功率、频率、占空比、光斑直径、离焦量、扫描速度；第五步，将试样放置到工作台上固定，放置的位置要确保气化抛光平行轨迹与上次重熔抛光平行轨迹相垂直，调整待气化抛光表面法线与激光入射线方向之间的夹角；第六步，气化抛光时，调节激光功率、频率、占空比、光斑直径、离焦量、扫描速度；第七步，完成一次重熔抛光与气化抛光交替抛光后，重复第二步至第四步，每次重熔抛光时，适当降低步骤四中激光功率3～5W，扫描速度3～5mm/s，抛光轨迹方向比上次轨迹方向增加100～200，其余参数不变；重复第五步至第七步，每次气化抛光时逐渐增大步骤五中激光束与试样法线方向入射角度20～50，适当降低步骤七中激光功率3～5W，扫描速度3～5mm/s，依次进行逐层交替抛光。进一步的，光学玻璃包括融石英玻璃、KDP或K9。进一步的，气化抛光入射光与光学元件法线方向夹角为450～800。进一步的，第一步中，超声波清洗液是指无水乙醇或丙酮。进一步的，第四步中，CO2激光相关参数为：激光功率为10～50W，频率为1～20kHz，占空比1％～10％，光斑直径为1～5mm，离焦量为5～50mm，扫描速度为5-50mm/s。进一步的，第五步中，待气化抛光表面法线与激光入射线方向之间的夹角为450～800。进一步的，第六步中，CO2激光相关参数为：激光功率为50～100W，频率为1～20kHz，占空比1％～10％，光斑直径为0.01～0.1mm，离焦量为1～10mm，扫描速度为50～1000mm/s。本专利技术相对于现有技术相比具有显著优点：1、在激光抛光装置所在的超净室环境下，采用超声波清洗器对光学元件表面进行清洗，吹风机常温对表面进行干燥，操作简单，方便，高效，避免运输过程中对光学元件的二次污染，且不会对光学元件表面造成任何形式的损伤；2、采用CO2激光器进行重熔与气化复合抛光，不会引入新的杂质；3、采用限位固定光学元件的方法，操作方便，不产生加持力；4、采用CO2激光器进行重熔与气化复合抛光，不产生抛光压力，只有重熔抛光时产生较小的内应力；5、CO2激光扫描运动轨迹采用不同角度平行运动方式，扫描均匀，简单易行，且有利于降低中频。扫描面积大于光学元件待抛光表面，避免激光能量上升或下降时对抛光质量的影响；6、CO2激光重熔与气化复合抛光方法借鉴了两者的优点，同时巧妙的避免各自的不足，从而为高效、高精度抛光提供了一种新方式。附图说明图1是本专利技术的CO2激光抛光意图。图中1为CO2激光器，2为扩束镜，3为光闸，4为光阑，5为二向色镜，6为反射镜，7为CCD系统，8为整形镜，9为振镜，10为聚焦镜，11为吸气嘴，12试样，13直角楔形固定台，14电动平移台。图2是本专利技术的试样固定示意图。图2中15为固定夹具。图3是本专利技术的气化抛光是激光入射光线与试样法线夹角示意图。图3中16位激光入射线，θ为激光入射线与试样法线之间的夹角。图4是平行扫描轨迹示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进一步说明：本专利技术可广泛应用于各种面形和材料的光学元件的精抛光，如平面、球面、柱面、非旋转面及非球面等石英、晶体光学元件，特别是复杂形貌表面的光学元件。本专利技术的原理及依据是：熔石英玻璃对10.6μm波长的CO2激光能量具有较好的吸收性能，当激光能量大于融化阈值而低于气化阈值时，玻璃粘度下降，在表面张力的作用下，融化后的波峰玻璃流向波谷处，从而使表面粗糙度降低；当激光能量高于气化阈值时，采用与玻璃表面法相成一定角度的入射角辐照玻璃表面，波峰处被激光辐照气化，波谷处未被激光辐照气化，从而达到降低表面粗糙度的目的。由于融化抛光时熔池越大，驻留时间越长，表面越平滑，但是产生的应力也越大，加工的效率也越低，气化抛光时如果沿着玻璃表面法线方向辐照则同时去除波峰和波谷，无法起到降低粗糙度的目的，因此采用入射光与玻璃表面法线方向成一定角度入射，且随着粗糙度的降低，入射角越大精度提高的效果越好，但是入射角度越大对装置和相关检测手段的要求也越高，此外光斑直径越小，气化抛光效果越好，越不容易导致波峰与波谷同时去除，但是抛光效率会相应降低。因此为了充分发挥重熔抛光和气化抛光各自的优点，你采用大光斑重熔抛光与小光斑气化抛光相结合的方法来快速降低熔石英表面粗糙度。本专利技术图1的装置以气化抛光为例，工作过程为：试样12通过图2中固定夹具15固定在直角楔形固定台13，直角楔形固定台13也以同样的方式固定在电动平移台14上，开启CO2激光器1，光线沿图1所示光路图分别经过扩束镜2、光闸3、光阑4到达二向色镜5，大部分光线反射到整形镜8，经过由振镜9和聚焦镜10组成的场镜后，激光穿过上端透明的吸气嘴11聚焦到试样12表面，抛本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学元件CO2激光重熔与气化复合抛光方法，其特征在于，包括清洗与干燥光学元件、CO2激光重熔抛光、CO

【技术特征摘要】
1.一种光学元件CO2激光重熔与气化复合抛光方法，其特征在于，包括清洗与干燥光学元件、CO2激光重熔抛光、CO2激光气化抛光，通过CO2激光对光学元件表面交替进行的逐层重熔抛光和气化抛光。


2.根据权利要求1所述的光学元件CO2激光重熔与气化复合抛光方法，其特征在于，CO2激光修复的步骤具体为：
第一步，在万级洁净间里，将试样放入超声清洗装置清洗干净，然后取出用吹风机在常温模式下吹干试样；
第二步，将试样放置到工作台上并固定好，保证待重熔抛光表面与激光方向垂直；
第三步，开启CO2激光系统，绘制扫描轨迹的图形，抛光区域面积为试样待抛光表面的1.01～1.1倍，将此图形导入激光系统；
第四步，重熔抛光时，调节激光功率、频率、占空比、光斑直径、离焦量、扫描速度；
第五步，将试样放置到工作台上固定，放置的位置要确保气化抛光平行轨迹与上次重熔抛光平行轨迹相垂直，调整待气化抛光表面法线与激光入射线方向之间的夹角；
第六步，气化抛光时，调节激光功率、频率、占空比、光斑直径、离焦量、扫描速度；
第七步，完成一次重熔抛光与气化抛光交替抛光后，重复第二步至第四步，每次重熔抛光时，适当降低步骤四中激光功率3～5W，扫描速度3～5mm/s，抛光轨迹方向比上次轨迹方向增加10°～20°，其余参数不变；重复第五步至第七步，每次气化抛光时逐渐增大步骤五中激光束与试样法线方向入射角度2°～5°，适当降低步骤七中激光功...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓鹏，陆广华，支新涛，王大森，王克鸿，袁松梅，周琦，彭勇，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32