本发明专利技术涉及工程机械领域，特别是涉及一种利用磁场辅助激光高精度表面抛光的装置及方法，包括激光器、扩束镜、振镜、场镜、电磁线圈和铁芯；激光器用于产生激光；扩束镜置于激光器的出光口，用于获得准直激光光束；振镜置于扩束镜的出光口，用于偏转准直激光光束，且振镜的出光口朝下；场镜置于振镜的出光口，用于获得高功率密度光斑；高功率密度光斑用于在微米尺度的范围内产生极高热量，以对工件表面进行高精度抛光；电磁线圈置于场镜的下方，用于产生可调节磁感应强度的磁场；铁芯置于电磁线圈的中心，用于增强电磁线圈产生的磁场。本发明专利技术针对性地抑制了不同导电性质工件进行激光抛光过程中的马兰戈尼效应对抛光表面的影响。光过程中的马兰戈尼效应对抛光表面的影响。光过程中的马兰戈尼效应对抛光表面的影响。
【技术实现步骤摘要】
一种利用磁场辅助激光高精度表面抛光的装置及方法
[0001]本专利技术属于激光抛光
，更具体地，涉及一种利用磁场辅助激光高精度表面抛光的装置及方法。
技术介绍
[0002]单晶硅是一种性能优异的半导体材料，从大规模集成电路、航空航天元件到红外扫描相机、热成像装置等军用装备，都是以超光滑单晶硅表面为基础。作为光学元件的单晶硅，首先要通过金刚石车削将单晶硅表面加工至纳米级粗糙度。但由于车削过程中主轴的旋转运动和车刀的进给运动，加工轨迹为螺旋线，在表面不可避免的产生车刀纹，宏观表现为彩虹纹，导致光的散射和衍射，影响光学系统的成像质量。除此之外，由于接触式加工，金刚石车削产生的亚表面损伤也很大程度决定了光学元件的工作状况以及使用寿命。
[0003]抛光是最常用的改善光学表面质量的方法，包括了离子束抛光、射流抛光、磁流变抛光、气囊抛光、激光抛光等多种抛光方法。激光抛光因其具有高效率，无损伤，绿色环保的优势，得到了广泛的应用。激光抛光技术可以基于表面张力实现超光滑表面的抛光并修复亚表面损伤。但马兰戈尼效应会造成材料在熔池边缘堆积，使得以表面张力为主导的抛光效果有所减弱。而且随着表面粗糙度的减小，马兰戈尼效应会更加明显。传统的激光抛光存在着一个表面质量抛光极限。
[0004]单晶硅在融化之后导电率为7.75
×
10
‑5Ω
·
cm，与固体相比，导电性能进一步增强。导体材料或半导体材料在熔化后，由于熔池的流动产生电流，施加磁场将增加熔池流动的阻力，从而调控熔池的流动，以及受流动影响的结晶过程。于是，基于磁场抑制马兰戈尼效应的原理，提出用磁场辅助的方式进行激光抛光，整个过程既保留了激光抛光高效率，无损伤，无污染的特点，又能抑制马兰戈尼效应，实现了超光滑表面的抛光。因此，设计一种专门抑制激光抛光过程中马兰戈尼效应的设备很有必要，对进一步提升抛光质量具有重要意义。
技术实现思路
[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种利用磁场辅助激光高精度表面抛光的装置及方法，旨在解决现有半导体或导体在激光抛光过程中因马兰戈尼效应而增加抛光表面粗糙度的问题。
[0006]为解决上述问题，按照本专利技术的一个方面，提供了一种利用磁场辅助激光高精度表面抛光的装置，包括激光器、扩束镜、振镜、场镜、电磁线圈和铁芯；
[0007]所述激光器用于产生激光；
[0008]所述扩束镜置于所述激光器的出光口，用于扩大激光光束的光斑直径，并减小激光光束的发散角，获得准直激光光束；
[0009]所述振镜置于所述扩束镜的出光口，用于偏转所述准直激光光束，且振镜的出光口朝下；
[0010]所述场镜置于所述振镜的出光口，用于实现激光能量的聚集，获得高功率密度光斑；所述高功率密度光斑用于在微米尺度的范围内产生极高热量，熔化工件表面，以对工件表面进行高精度抛光；
[0011]所述电磁线圈置于所述场镜的下方，用于产生可调节磁感应强度的磁场；
[0012]所述铁芯置于所述电磁线圈的中心，用于增强电磁线圈产生的磁场。
[0013]优选的，该装置还包括激光器安装板和升降平台；
[0014]所述激光器安装板与升降平台连接；
[0015]所述激光器安装板上安装有激光器、扩束镜、振镜以及场镜；
[0016]所述工件放置在铁芯上；
[0017]通过调节振镜偏转角使得工件表面的激光光斑可以按预设轨迹移动；
[0018]通过调节升降平台的高度设置激光的工作距离。
[0019]优选的，该装置还包括激光器安装板，所述激光器安装于激光器安装板。
[0020]优选的，该装置还包括扩束镜安装板，所述扩束镜与激光器通过扩束镜安装板连接。
[0021]优选的，该装置还包括振镜安装板、振镜连接柱和连接柱安装板，所述振镜安装于振镜安装板上，通过振镜连接柱与连接柱安装板连接，并固定于激光器安装板上，所述场镜安装在振镜上。
[0022]优选的，激光器的输出功率大于0W且小于等于100W。
[0023]优选的，激光器采用脉冲激光器。
[0024]优选的，工件为导体材料或半导体材料。
[0025]按本专利技术的另一方面，提供了一种利用磁场辅助激光高精度表面抛光的方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0026]在工件周围产生磁场；
[0027]发射激光；
[0028]调整激光的发散角，获得准直激光光束；
[0029]调整所述准直激光光束的辐照位置，使得辐照位置对准工件表面；
[0030]对调整辐照位置后的准直激光实现光束聚焦，获得高功率密度光斑；
[0031]将高功率密度光斑集中在工件待抛光区域，熔化工件表面，磁场垂直穿过熔池，马兰戈尼效应减弱，实现对工件表面的高精度抛光。
[0032]进一步的，还包括如下步骤。
[0033]通过调节激光的上下运动调整激光的工作距离；
[0034]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有一下以下效果：
[0035](1)本专利技术提供了一种利用磁场辅助激光高精度表面抛光的装置及方法，将激光抛光设备与磁场集成，可以在激光抛光过程中引入磁场调控熔池运动，进而抑制马兰戈尼效应，并可以控制熔池的结晶；
[0036](2)本专利技术提高了激光抛光方法的粗糙度极限；
[0037](3)本专利技术可以根据材料导电性质的不同，调整通过电磁线圈的电流，进而控制穿过熔池的磁感应强度大小，针对性地抑制不同导电性能工件的马兰戈尼效应；
[0038](4)本专利技术结构简单，抛光效率高，自动化程度高，装置模块化设计，易于实现工业化应用。
附图说明
[0039]图1为本专利技术实施例提供的激光发生装置的整体结构示意图；
[0040]图2为本专利技术实施例提供的激光发生装置与升降平台连接的结构示意图；
[0041]图3为本专利技术实施例提供的激光抛光前硅片的截面形状示意图；
[0042]图4为本专利技术实施例提供的激光抛光后硅片的截面形状示意图；
[0043]图5为本专利技术实施例提供的磁场辅助激光抛光后硅片的截面形状示意图。
[0044]附图中标记为：铁芯1，电磁线圈2，工件3，场镜4，振镜5，振镜安装板6，振镜连接柱7，连接柱安装板8，扩束镜9，扩束镜安装板10，激光器11，激光器安装板12，升降平台13。
具体实施方式
[0045]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0046]如图1所示，本实施例提供了一种利用磁场辅助激光高精度表面抛光的装置，其包括用于磁场的产生和调节的电磁线圈2和铁芯1，还包括用于激光的产生和调节的场镜4、振镜5、振镜安装板6、振镜连接柱7、连接柱安装板8、扩束镜9、扩束镜安装板10、激光器11和本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种利用磁场辅助激光高精度表面抛光的装置，其特征在于，包括激光器、扩束镜、振镜、场镜、电磁线圈和铁芯；所述激光器用于产生激光；所述扩束镜置于所述激光器的出光口，用于扩大激光光束的光斑直径，并减小激光光束的发散角，获得准直激光光束；所述振镜置于所述扩束镜的出光口，用于偏转所述准直激光光束，且振镜的出光口朝下；所述场镜置于所述振镜的出光口，用于实现激光能量的聚集，获得高功率密度光斑；所述高功率密度光斑用于在微米尺度的范围内产生极高热量，熔化工件表面，以对工件表面进行高精度抛光；所述电磁线圈置于所述场镜的下方，用于产生可调节磁感应强度的磁场；所述铁芯置于所述电磁线圈的中心，用于增强电磁线圈产生的磁场。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括激光器安装板和升降平台；所述激光器安装板与升降平台连接；所述激光器安装板上安装有激光器、扩束镜、振镜以及场镜；所述工件放置在铁芯上；通过调节振镜偏转角使得工件表面的激光光斑可以按预设轨迹移动；通过调节升降平台的高度设置激光的工作距离。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括激光器安装板，所述激光器安装于激光器安装板。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括扩束镜安装板，...
【专利技术属性】
技术研发人员：肖峻峰，许剑锋，黄惟琦，李涛，吴艳玲，陈肖，张建国，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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