CN102909650A

CN102909650A - 板条激光介质的表面加工方法

Info

Publication number: CN102909650A
Application number: CN2012104307895A
Authority: CN
Inventors: 谢瑞清; 陈贤华; 雷向阳; 王健; 侯晶; 袁志刚; 钟波; 马平; 郑楠; 廖德锋; 李洁; 李瑞洁
Original assignee: CHENGDU FINE OPTICAL ENGINEERING RESEARCH CENTER
Current assignee: CHENGDU FINE OPTICAL ENGINEERING RESEARCH CENTER
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2012-11-01
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-11-01
Also published as: CN102909650B

Abstract

本发明提供一种板条激光介质表面加工方法，该方法可以使板条激光介质同时获得高面形精度和优良的表面光洁度。板条激光介质的表面加工方法，该方法包括以下步骤：采用粘结剂将完成切割后的板条激光介质进行粘结上盘，在平面研磨机上分别对两个大面进行研磨和预抛光；将已完成预抛光的板条激光介质采用弹性吸附方式上盘；在平面研磨机上利用合成抛光盘对弹性吸附上盘后的板条激光介质进行精抛光。采用本发明提出板条激光介质表面加工方法，精抛光采用弹性吸附方式上盘，操作简便，不会造成元件下盘后面形变形的问题，且不需要在工件周围粘贴配盘的玻璃或晶体，避免了元件在加工过程中崩边或崩角的危险。

Description

板条激光介质的表面加工方法

技术领域

本发明涉及光学加工技术领域，特别涉及一种板条激光介质的表面加工方法。

背景技术

高平均功率的固体激光器以其峰值功率高、结构紧凑等特点，在民用（如激光切割、焊接、热处理、打标）、军用（如激光雷达、测距、光电对抗）和空间通信等方面展示出重要的应用前景。传统的固体激光器由于采用圆棒状激光工作介质，热透镜效应非常严重，限制了激光输出功率及光束质量。而采用板条状激光介质可有效改善这一状况，通过设计合理的之字形（zigzag）光路，可明显减轻热透镜效应对输出激光的影响，并消除应力引起的双折射效应。为了满足激光光束在激光介质内部全反射从而形成之字形光路，板条激光介质各表面（特别是两个大面）需要达到很高的加工精度，包括面形精度、平行度及光洁度等，这对元件的光学冷加工提出极高的要求。

YAG系列晶体或陶瓷是目前在高功率板条激光器中应用最广泛的一类板条激光介质。该类器件通常的加工方法是在研磨机上利用沥青、聚氨酯或纯锡等抛光模，磨料选用金刚石或氧化铝微粉进行手工抛光或机抛。但现有的加工方法却面临以下三方面困难：①板条材料硬度高（如YAG晶体的莫氏硬度达8.5以上），材料去除困难，抛光过程主要依靠机械作用进行材料去除，抛光表面极易产生划痕等加工缺陷；②板条元件是典型的超薄型光学零件，结构刚性差，传统的粘结上盘方式通常会带来非常大的加工变形；③采用软质抛光模进行抛光时，虽可获得较好的表面光洁度，但工件面形会出现严重的塌边现象。

申请号为90105801.7的中国专利提出将成盘后的YAG晶体自身互为工件和模具，采用金刚石微粉乳剂为抛光液，在研磨机上进行对磨抛光加工，一定程度上提高了加工效率，但元件表面仍会出现划痕，大面表面光洁度只能达到II级，无法满足目前高功率固体激光器的应用要求。申请号为200910310318.9的中国专利针对超薄晶体下盘后面形变形的问题，通过在真空吸附垫上涂少许水后进行吸附上盘，在二轴机上完成抛光加工。但该方法为保证晶体面形不塌边，需在被加工晶体周围粘贴配盘晶体，当被加工晶体为具有锋利端面棱边倒角（如45°端面）的板条时，加工过程及上下盘过程极易造成晶体的崩边或崩角损坏。综上，现有的各种加工技术还无法解决板条激光介质元件高面形精度与高表面光洁度之间的矛盾，实现板条激光介质高精度、高效率和低缺陷的加工制造仍比较困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种板条激光介质表面加工方法，该方法可以使板条激光介质同时获得高面形精度和优良的表面光洁度。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：板条激光介质的表面加工方法，该方法包括以下步骤：（1）首先采用粘结剂将完成切割后的板条激光介质进行粘结上盘，在平面研磨机上分别对两个大面进行研磨和预抛光；（2）将已完成预抛光的板条激光介质采用弹性吸附方式上盘；（3）最后在平面研磨机上利用合成抛光盘对弹性吸附上盘后的板条激光介质进行精抛光。

本发明的有益效果是：采用本发明的板条激光介质表面加工方法，精抛光采用弹性吸附方式上盘，操作简便，不会造成元件下盘后面形变形的问题，且不需要在工件周围粘贴配盘的玻璃或晶体，避免了元件在加工过程中崩边或崩角的危险。与传统的沥青、聚氨酯、纯锡盘抛光相比，本发明采用的合成抛光盘抛光技术在保证元件表面质量的同时，不会产生蹋边现象，使工件面形精度和抛光效率得到大幅提高。采用本发明加工出的板条激光介质面形精度高、表面光洁度好，不会产生划痕和凹坑等加工缺陷。本发明的加工方法不仅可用于YAG系列晶体或陶瓷板条的加工，也可应用于加工其它类似晶体、陶瓷或硬脆材料。

附图说明

图1为本发明板条激光介质的表面加工方法的工艺流程图。

图2为本发明板条激光介质弹性吸附方式上盘示意图。

图3为图2的俯视图。

图4为本发明利用合成抛光盘抛光板条激光介质的示意图。

图5为本发明实施例中合成抛光盘的显微结构图。

图6为本发明方法与传统抛光工艺抛光板条激光介质的面形塌边量比较图。

图7为发明实施例加工的板条激光介质的面形精度结果。

图中标记为：1为板条激光介质、2为真空吸附垫、3为平面基板、4为合成抛光盘。

具体实施方式

本发明板条激光介质的表面加工方法的工艺流程如图1所示，本发明的板条激光介质的表面加工方法，包括以下步骤：（1）首先采用粘结剂将完成切割后的板条激光介质1进行粘结上盘，在平面研磨机上对板条激光介质进行研磨和预抛光，完成板条激光介质1第一个大面的预抛光后进行下盘，翻面，然后对第二个大面进行粘结上盘、研磨和预抛光。

其中，上盘用的粘结剂为石蜡或沥青，平面研磨机上的研磨盘为铁盘或铜盘，预抛光的抛光盘采用沥青或聚氨酯制成，研磨液为碳化硅，最好采用性能和纯度更好的绿色碳化硅。抛光液为金刚石或Al₂O₃微粉悬浮液，研磨盘转速为10～60rpm。预抛光后板条激光介质1表面达到基本光亮，板条激光介质厚度达到基本公差要求。

（2）将两个大面均完成预抛光的板条激光介质1采用弹性吸附方式上盘。具体是：在平面度优于1μm的圆形平面基板3表面粘贴相同形状尺寸的真空吸附垫2，将真空吸附垫2擦净并吹干，然后将同样擦净并吹干的板条激光介质1对称排布到真空吸附垫2上，由于板条激光介质1的两个大面已经抛光，因此轻轻压紧就可使板条激光介质1吸附牢固。由于上盘过程不需要加热，圆形平面基板3平面度高，板条激光介质1各区域吸附力均匀，因此利用该方式上盘后不会造成工件下盘后面形变形的问题，并且由于不在工件周围粘贴配盘的玻璃或晶体，降低了工件在加工过程中崩边或崩角的风险。

（3）在平面研磨机上利用合成抛光盘对弹性吸附上盘后的板条激光介质1进行精抛光。抛光压力为30～500Pa，抛光转速为5～40rpm。精抛光所用抛光磨料为平均粒度为0.05～1μm的氧化物微粉磨料，氧化物微粉磨料可以是CeO₂、Al₂O₃、ZrO₂、SiO₂等。上述合成抛光盘由树脂微粉、金属微粉和磨具湿润剂混合并热压成型，其重量百分比组成为30～65%的树脂微粉、35～65%的金属微粉、1～5%的磨具湿润剂，该合成抛光盘包含大量气孔，且其中的金属微粉硬度低于所使用的抛光磨料硬度，抛光磨料可部分嵌入合成抛光盘表面，构成一种半固结磨料抛光的抛光状态。上述的树脂微粉为聚酰亚胺或酚醛树脂微粉，上述的金属微粉可以是锡、铅、锑、铜等。由于合成抛光盘的硬度大大高于沥青、聚氨酯、纯锡等传统抛光材料的硬度，使得工件压向抛光盘时，其接触表面几乎不发生弹性形变，不会引起工件边缘压力的奇异性，从而避免了工件的塌边现象。

在上述的加工过程中，可对多件板条激光介质1同时进行加工，实现批量加工。

下面结合附图和具体实施例详细阐述本发明的内容，但不应以此限制本发明的保护范围。

以尺寸规格为100mm×30mm×3mm的Nd:YAG板条激光介质1为试验样件，样件数量为2件。

首先将已完成切割后的Nd:YAG板条激光介质1用石蜡粘贴到陶瓷盘上，在平面研磨机上对完成上盘后的板条进行研磨和预抛光。其中，研磨时采用铜盘作为研磨盘，采用粒度为W14的绿色碳化硅作磨料，研磨时机床转速为40rpm，研磨后工件表面砂眼均匀；预抛光时采用聚氨酯垫作抛光盘，采用粒度3μm的氧化铝微粉悬浮液作抛光液，抛光时机床转速为20rpm，预抛光后板条激光介质1表面达到基本光亮，厚度达到基本公差要求。

完成板条激光介质1第一个大面的预抛光后进行下盘，然后翻面，对第二个大面按前述相同方法进行粘结上盘、研磨和预抛光。

如图2和图3所示，将已完成预抛光的板条激光介质1进行弹性吸附方式上盘，即：在平面度优于1μm的圆形平面基板3表面粘贴相同形状尺寸的真空吸附垫2，将真空吸附垫2擦净并吹干，然后将同样擦净并吹干的板条激光介质1对称排布到真空吸附垫2上，由于板条激光介质1的两个大面已经抛亮，因此轻轻压紧就可使板条激光介质1吸附牢固。由于上盘过程不需要加热，圆形平面基板3平面度高，板条激光介质1各区域吸附力均匀，因此利用该方式上盘后，不会造成为下盘面形变形的问题。并且由于不在工件周围粘贴配盘的玻璃或晶体，降低了元件在加工过程中崩边或崩角的风险

在平面研磨机上利用合成抛光盘4对前述弹性吸附上盘后的板条激光介质1进行精抛光，如图4所示。抛光压力为200Pa，抛光转速为20rpm。精抛光所用磨料为平均粒度0.3μm的Al₂O₃微粉磨料。所用合成抛光盘4由43%的酚醛树脂微粉、55%的金属锡微粉和2%的磨具湿润剂混合并热压成型制成，其显微结构如图5所示。由于所述的合成抛光盘4包含大量微型气孔，且其中的锡硬度低于磨料硬度，抛光磨料可部分嵌入合成抛光盘4表面，将构成一种半固结磨料抛光的抛光状态，在保证板条激光介质1表面质量的同时可大大提高抛光效率。试验结果表明，采用本发明加工Nd:YAG板条激光介质1的面形塌边量不超过0.1λ（1λ=632.8nm），远小于传统加工工艺的塌边量，如图6所示。这是由于合成抛光盘4的硬度大大高于沥青、聚氨酯、纯锡等传统抛光材料的硬度，使得板条激光介质1压向合成抛光盘4时，接触表面几乎不发生弹性形变，不会引起板条激光介质1边缘压力的奇异性，从而避免了板条激光介质1的塌边现象。

最终试验板条激光介质1下盘后的检测结果为：板条激光介质1大面的面形精度PV值为0.22λ（1λ=632.8nm），局部误差0.1λ；平行度优于10″；粗糙度为0.55nm(RMS)；表面光洁度达I级，如图7所示。

Claims

1.板条激光介质的表面加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：（1）首先采用粘结剂将完成切割后的板条激光介质进行粘结上盘，在平面研磨机上分别对两个大面进行研磨和预抛光；（2）将已完成预抛光的板条激光介质采用弹性吸附方式上盘；（3）最后在平面研磨机上利用合成抛光盘对弹性吸附上盘后的板条激光介质进行精抛光。

2.如权利要求1所述的板条激光介质的表面加工方法，其特征在于，所述粘结剂为石蜡或沥青。

3.如权利要求1所述的板条激光介质的表面加工方法，其特征在于，所述研磨采用的研磨盘为铁盘或铜盘，研磨液为绿色碳化硅，研磨盘转速为10～60rpm。

4.如权利要求1所述的板条激光介质的表面加工方法，其特征在于，所述预抛光采用的抛光盘为沥青或聚氨酯，抛光液为金刚石或Al₂O₃微粉悬浮液，磨盘转速为10～60rpm。

5.如权利要求1所述的板条激光介质的表面加工方法，其特征在于，所述弹性吸附方式上盘为：在平面度优于1μm的圆形平面基板表面粘贴真空吸附垫，将真空吸附垫擦净并吹干，然后将同样擦净并吹干的板条激光介质排布到真空吸附垫上，压紧使板条激光介质吸附牢固。

6.如权利要求1所述的板条激光介质的表面加工方法，其特征在于，所述合成抛光盘由树脂微粉、金属微粉和磨具湿润剂混合并热压成型，其重量百分比组成为30～65%的树脂微粉、35～65%的金属微粉、1～5%的磨具湿润剂。

7.如权利要求6所述的板条激光介质的表面加工方法，其特征在于，所述金属微粉硬度低于所使用的抛光磨料硬度，所述树脂微粉为聚酰亚胺或酚醛树脂微粉，所述金属微粉是锡、铅、锑或铜。

8.如权利要求1所述的板条激光介质的表面加工方法，其特征在于，所述精抛光所用抛光磨料为平均粒度为0.05～1μm的氧化物微粉磨料，所述氧化物微粉磨料是CeO₂、Al₂O₃、ZrO₂、SiO₂。

9.如权利要求1所述的板条激光介质的表面加工方法，其特征在于，所述精抛光的抛光压力为30~500Pa，抛光转速为5～40rpm。

10.如权利要求1所述的板条激光介质表面加工方法，其特征在于，所述板条激光介质为YAG系列晶体、陶瓷板条、其它类似晶体、陶瓷或硬脆材料。