CN103465114B - 一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法及其装置。本发明提供的技术方案是：一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法，是利用非活性的气体电弧放电产生高温等离子体，在气压和管壁冷压缩效应作用下，等离子弧焰体集束聚焦于工件表面，使与焰体作用区域的熔石英表面温度急剧升高至熔石英材料的熔点，熔融态的石英在静张力作用下局部流平，达到抛光作用；所使用的装置，包括等电弧等离子体炬射流喷枪、六轴联动机械手及其控制系统、排气系统、光学减震平台、电弧等离子体发生器和样品台。主要优点是：保证材料表面面型在整个抛亮过程中不劣化，可将中大口径复杂面型超光滑光学元件的加工周期缩短四分之一以上。

Description

一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法及其装置

技术领域

本发明涉及光学元件抛光技术领域，具体涉及到一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法及其装置。

背景技术

  随着现代光学和微电子学的高速发展，在当今的国防军事、天文探测等领域，对光学元件的加工除了有很高表面形状要求之外，还需要通过表面微观质量的大幅度提高来降低表面散射等损耗，以提高光能量传输能力、图像传输质量以及激光对抗能力。特别是针对中大口径精密光学元件的制造，提出了超光滑和低损耗的要求。

常用的超光滑表面加工方法有浴法抛光、浮法抛光、Tenon抛光及延展性抛光等。此类加工方法虽可得到极高的表面粗糙度，但其抛光效率低，特别是在对中大口径复杂面型光学元件进行加工时，严重制约了加工进度，成本极高。此外，由于传统工艺主要采用接触式加工方式，即使可得到满足表面粗糙度要求的工件，但仍存在表层掩盖下的亚表面损伤，这些都会影响到光学元件的使用性能。

近年来，一系列新型的等离子体光学抛光方法被提出，例如，德国IOM（Leibniz Institute of Surface Modification）与日本尼康利用真空等离子体技术实现光学元件的超光滑表面加工，专利号为200710072022.9的专利文件中给出了一种电容耦合式大气等离子体抛光方法，这些方法的核心是在真空或大气环境下利用低温等离子体所产生的活性气体与加工元件表面材料的化学反应进行材料的快速去除和抛光，虽然采用这些方法均可取得高效率的抛光效果，但这些方法也存在一些问题，表现在：真空等离子体设备虽然方法简抛光效果极佳，但由于设备必须在配备真空系统，运行成本较高，同时，针对大面积复杂面形元件加工，多维度的机械运动装置在真空环境运行要求非常高，其结构相当复杂，操作和维护难度也很高。而大气电容耦合等离子体方法虽然无须真空环境，但其放电要求较高，等离子体发生器的结构相对复杂，并且等离子体的产生需要在射频或微波供电条件下，易造成电磁污染，同时，工作气体需采用高纯度的氦气，在大气条件下加工成本也相当高。

是故，本发明针对具体熔石英光学元件加工问题，提出一种简单易行，运行成本低的高效率离子体抛光方法和装置，可有效取代抛光工艺流程的粗抛环节，快速实现不同口径、复杂面形熔石英工件的快速抛亮，缩短光学表面超光滑加工的成品周期。

发明内容

本发明提供一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法及其装置，以克服现有技术存在的加工效率低、工件表面及亚表面损伤的问题。

为克服现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法，是利用非活性的气体电弧放电产生高温等离子体，在气压和管壁冷压缩效应作用下，等离子体炬焰体集束聚焦于工件表面，使与焰体作用区域的熔石英表面温度急剧升高至熔石英材料的熔点，熔融态的石英在静张力作用下局部流平，达到抛光作用。

      一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法所使用的装置，包括等电弧等离子体炬射流喷枪、六轴联动机械手及其控制系统、排气系统、光学减震平台、电弧等离子体发生器和样品台，六轴联动机械手及其控制系统和样品台设置于光学减震平台上部，等电弧等离子体炬射流喷枪位于样品台的上方，所述等电弧等离子体炬射流喷枪由涡旋式工作气体进气口、圆形绝缘隔离罩、内电极、不锈钢管壁、喇叭状等离子体喷嘴、绝缘接头构成，其特征在于：

        所述样品台具有自加温功能；

       所述等电弧等离子体炬射流喷枪中，所述内电极表面涂覆TiN涂层；所述不锈钢管壁的材质为1Cr18Ni9Ti，且外壳管壁厚度在5~8mm范围；所述圆形绝缘隔离罩材质为陶瓷，其壁厚不小于2mm；所述喇叭状等离子体喷嘴材质为1Cr18Ni9Ti，其喷枪口直径与后端喇叭口直径比例应介于1:8~1:10，喇叭口开孔角度控制在35~45^o范围；

       所述排气系统由封闭罩，气路挡板，管道及抽气电机构成，封闭罩通过管道与抽气电机连接，位于封闭罩一侧的管道上设置有气路挡板，所述封闭罩材质为透明有机玻璃，所述气路挡板为不锈钢材质。

上述气路挡板是栅栏式。

       上述自加温样品台的材质为金属铜，其上端面为光滑表面，样品台底部设置有电阻丝加热装置。

       上述等电弧等离子体炬射流喷枪中使用的工作气体为氮气，其纯度不小于99.99%，且气压控制在0.04~0.07MPa之间；电弧离子体发生器采用20~40KHz的中频电源，其工作功率在450W~1KW。

上喷枪所获得等离子体炬的束流直径控制在0.5~2mm。

上述内电极，为一空心圆柱状金属柱，其前端为圆滑的半球状弧面。

本发明创造性地提出了一种新的超光滑表面加工技术，即大气射流等离子体火抛技术。它的设计思路是用等离子发生器产生的等离子焰体喷射到工件表面，使其表面一薄层物质熔化或蒸发而获得光滑表面。与现有技术相比，其优点是：

1、本发明所提供方法，将电弧放电所产生的高温度热等离子体，经过独特的喷枪结构的冷压缩效应将其集束为高能等离子体炬束流，当等离子体炬束流喷射至熔石英材料表面时，其能量足以使熔石英材料表面熔化或部分蒸发，从而使材料表面薄层、特别是元件表面由于机械加工所形成损伤区域快速重熔平坦化，从而可以在较短时间内使元件表面粗糙度快速收敛，同时，由于所采用的等离子炬束流直径较小，可保证材料表面面型在整个抛亮过程中不劣化。

2、本发明所提供的方法，利用电弧放电产生高温等离子体炬的物理效应进行材料去除抛光，不同于其他等离子体方法需要有活性气体参与其中，本方法在抛光过程中不涉及化学反应，因此其抛光去除函数相对简单，特别是在针对中大口径复杂面形的光学元件加工，抛光轨迹控制模型易于获得，等离子体炬射流喷枪可通过六轴联动的机械传动系统方便地对各种口径的平面、凸凹面，非球面等多种形状熔石英光学元件进行加工。本发明特别地适合于直径大于300mm的复杂面型熔石英光学元件，可快速实现其精密成型，如果将本发明提供的方法与磁流变技术或真空离子束抛光技术相结合，可将中大口径复杂面型超光滑光学元件的加工周期缩短四分之一以上。

3、本发明所提供方法的装置，无需低压真空系统，结构相对简单，操作容易。装置所采用的等离子体发生器采用中频电源供电，其电源工作功率在0.45~1KW范围。本发明不采用一般等离子体抛光方法中所的含氟活性气体，等离子体工作气体选择化学活性较低的高纯氮气，氮气工业获得容易，价格低廉。本装置抛光过程中产生的尾气主要以一氧化氮和二氧化氮为主，对于少量的二氧化氮气体，本发明装置设计有排气系统，并安装了栅栏式气路挡板，保证在排气过程中产生湍流，对等离子体炬造成影响；

4、本发明所采用的样品台，具有自加温功能，因而在工作过程中，由高温等离子体作用于加工元件表面所引起局部温差过大，热应力问题可有效地被消除。事实上，采用本发明方法和装置进行光学元件抛光时，加工工件的局部温升可被控制在400^oC，因此，本发明不仅适用于熔石英玻璃的加工，也可适用于玻璃软化温度高于400 ^oC的光学玻璃的抛光加工。

5、本发明所装置的主要功能部件，如气体输入控制，六轴联动机器手，光学减震平台，具备较高的技术成熟度，可方便实现仪器化，用于工业生产实际。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2 是实施例1的单点抛光形貌图

（a）刻蚀斑痕全貌（b）沿中心X轴和Y轴轮廓

图3是实施例1的光学元件的原始表面微观图（10X光学镜头）；

图4是实施例1的抛光后的表面微观图（10X光学镜头）；

图5是实施例2的一次抛光前后表面粗糙度对比图

附图标记说明如下：

1——等电弧等离子体炬射流喷枪、2——六轴联动机械手及其控制系统、3——排气系统、4——光学减震平台、5——电弧离子体发生器，6——样品台，7——样品，101——涡旋式工作气体进气口、102——圆形绝缘隔离罩、103——内电极、104——不锈钢管壁、105——喇叭状等离子体喷嘴、106——绝缘接头，201——六轴联动机械手，202——控制系统，301——封闭罩，302——气路挡板，303——管道，304——抽气电机。

具体实施方式

        下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。

        一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法，是利用非活性的气体电弧放电产生高温等离子体，在气压和管壁冷压缩效应作用下，等离子弧焰体集束聚焦于工件表面，使与焰体作用区域的熔石英表面温度急剧升高至熔石英材料的熔点，熔融态的石英在静张力作用下局部流平，达到抛光作用。

           参见图1：为了实现上述方法，本发明提供了一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法所使用的装置，包括等电弧等离子体炬射流喷枪1、六轴联动机械手及其控制系统2、排气系统3、光学减震平台4、电弧等离子体发生器5和样品台6，六轴联动机械手及其控制系统2和样品台6设置于光学减震平台4上部，等电弧等离子体炬射流喷枪1位于样品台6的上方；

所述等电弧等离子体炬射流喷枪1由涡旋式工作气体进气口101、圆形绝缘隔离罩102、内电极103、不锈钢管壁104、喇叭状等离子体喷嘴105、绝缘接头106构成，所述等电弧等离子体炬射流喷枪1中使用的工作气体为氮气，其纯度不小于99.99%，且气压控制在0.04~0.07MPa之间；电弧离子体发生器5采用20~40KHz的中频电源，其工作功率在450W~1KW；喷枪所获得等离子体炬的束流直径控制在0.5~2mm。

所述样品台6具有自加温功能，样品台6的材质为金属铜，其上端面为光滑表面，样品台底部设置有电阻丝加热装置；

所述等电弧等离子体炬射流喷枪1中，内电极102为一空心圆柱状金属柱，其前端为圆滑的半球状弧面，表面涂覆TiN涂层；所述不锈钢管壁103的材质为1Cr18Ni9Ti，且外壳管壁厚度在5~8mm范围；所述圆形绝缘隔离罩104材质为陶瓷，其壁厚不小于2mm；所述喇叭状等离子体喷嘴105材质为1Cr18Ni9Ti，其喷枪口直径与后端喇叭口直径比例应介于1:8~1:10，喇叭口开孔角度控制在35~45^o范围；所述排气系统3由封闭罩301，气路挡板302，管道303及抽气电机304构成，封闭罩301通过管道303与抽气电机304连接，位于封闭罩301一侧的管道303上设置有栅栏式的气路挡板302，所述封闭罩301材质为透明有机玻璃，所述气路挡板302为不锈钢材质。

所述六轴联动机械手及其控制系统2包括六轴联动机械手201和控制系统202，六轴联动机械手201为公知技术，它作为抛光设备的运动部件，包括六个数控轴：回转轴、立臂轴、横臂轴、腕轴、腕摆轴、腕转轴；控制系统202设置于方便操作的位置即可。

所述自加温样品台6，可对熔石英光学元件进行预加热，以减小由于样品在抛光过程中温升与环境温度温差过大而引起的热应力，防止样品因应力过大而炸裂。

所述气路挡板302，可防止抽气电机304工作时产生湍流，保证封闭罩301内气流稳定。

        实施例1：不锈钢管壁103的材质为1Cr18Ni9Ti，且外壳管壁厚度为6mm；喷枪口直径与后端喇叭口直径比例设定为1:8，喷枪口直径为2.0mm喇叭口开孔角度为36^o；将控制氮气气压控制在0.038Mpa，电弧电源功率设定为600W，此时形成的等离子体炬最大束流半径为2.2mm。

其特征工艺步骤为：

第一步：将平面熔石英光学样品放置于自加温样品台6，打开加热装置，将熔石英光学元件加热至200^oC；

第二步：调整等电弧等离子体炬射流喷枪1与加工元件7表面距离为2.5mm，并确定加工基点

第三步：六轴联动机械手201控制等离子体炬射流喷枪在平面内运动。设定喷枪运动速度为5mm/s，在平面内与运动方向垂直的步长为0.2mm

第四步：按预定压力，打开氮气阀门，由涡旋式工作气体进气口101充入氮气，打开电弧等离子体发生器5，同时，排气系统3的抽气电机304。此时，等离子体炬对熔石英元件具有极高的刻蚀速率，如图2所示，其刻蚀斑呈近似对称的高斯分布，最大刻蚀速率可达5μm/s.

第五步：六轴联动机械手201按预定参数和预定抛光模型在平面内带动等离子体喷枪反复做”Z”字型运动,进行由点及面的平面抛光。

          实施例2：不锈钢管壁103的材质为1Cr18Ni9Ti，且外壳管壁厚度为5.5mm；喷枪口直径与后端喇叭口直径比例设定为1:10，喷枪口直径为1.5mm喇叭口开孔角度为40^o；将控制氮气气压控制在0.040Mpa，电弧电源功率设定为600W，此时形成的等离子体炬最大束流半径为1.8 mm。

本特征工艺步骤与实施例1不同之处在于步骤3和步骤5，在抛光过程中，按照加工元件的曲面形状，设定喷枪的运动轨迹参数，控制六轴联动机械手201运动，保证喷枪口与加工点时刻保持垂直。步骤5中，按预定加工模型和轨迹参数，由点及面，进行一次抛亮。

           本发明给出的一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法，是利用非活性的气体电弧放电产生高温等离子体，在气压和管壁冷压缩效应作用下，等离子弧焰体集束聚焦于工件表面，使与焰体接触处的熔石英表面温度急剧升高至熔石英材料的熔点，近表层物质开始熔化甚至蒸发，而熔石英基体的温度基本变化不大（小于200^oC）。而在焰体作用区域，熔融态的石英在静张力作用下局部流平，这样，由于机械加工刀痕或瑕疵造成凸起的峰尖被消除。

        结合本发明给出的装置，其具体工作原理如下：

       如图1所示，将样品7放置在样品台上，利用等离子发生器产生等离子体，氮气一方面由阴极后方导入，在内电极103附近打出电弧，另一方面作为载气由后端进入，在电弧的激发下产生等离子体，并在气流的带动下喷向样品台6，使其表面一薄层物质熔化或蒸发而获得光滑表面。

       参见图3和图4，可以看出，利用实施例1提供的装置，对直径为300mm尺寸的平面熔石英进行处理，其表面粗糙度Ra200nm下降至20nm。

       参见图5，可以看出，利用实施例2提供的装置，对直径为50mm的毛坯熔石英凹透镜进行一次抛亮后，元件表面粗糙度已经不足初始毛坯元件粗糙度的五分之一。

Claims (7)

1.一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法，是利用非活性的气体电弧放电产生高温等离子体，在气压和管壁冷压缩效应作用下，等离子体炬焰体集束聚焦于工件表面，使与焰体作用区域的熔石英表面温度急剧升高至熔石英材料的熔点，熔融态的石英在静张力作用下局部流平，达到抛光作用，所使用的装置，包括电弧等离子体炬射流喷枪（1）、六轴联动机械手及其控制系统（2）、排气系统（3）、光学减震平台（4）、电弧等离子体发生器（5）和样品台（6），六轴联动机械手及其控制系统（2）和样品台（6）设置于光学减震平台（4）上部，电弧等离子体炬射流喷枪（1）位于样品台（6）的上方，所述电弧等离子体炬射流喷枪（1）由涡旋式工作气体进气口（101）、圆形绝缘隔离罩（102）、内电极（103）、不锈钢管壁（104）、喇叭状等离子体喷嘴（105）、绝缘接头（106）构成，所述样品台（6）具有自加温功能；所述电弧等离子体炬射流喷枪（1）中，所述内电极（103）表面涂覆TiN涂层；所述不锈钢管壁（104）的材质为1Cr18Ni9Ti，且外壳管壁厚度在5~8mm范围；所述圆形绝缘隔离罩（102）材质为陶瓷，其壁厚不小于2mm；所述喇叭状等离子体喷嘴（105）材质为1Cr18Ni9Ti，其喷枪口直径与后端喇叭口直径比例应介于1:8~1:10，喇叭口开孔角度控制在35~45^o范围； 所述排气系统（3）由封闭罩（301），气路挡板（302），管道（303）及抽气电机（304）构成，封闭罩（301）通过管道（303）与抽气电机（304）连接，位于封闭罩（301）一侧的管道（303）上设置有气路挡板（302），所述封闭罩（301）材质为透明有机玻璃，所述气路挡板（302）为不锈钢材质。

2.根据权利要求1所述的针对熔石英光学元件进行抛光的方法所使用的装置，包括电弧等离子体炬射流喷枪（1）、六轴联动机械手及其控制系统（2）、排气系统（3）、光学减震平台（4）、电弧等离子体发生器（5）和样品台（6），六轴联动机械手及其控制系统（2）和样品台（6）设置于光学减震平台（4）上部，电弧等离子体炬射流喷枪（1）位于样品台（6）的上方，所述电弧等离子体炬射流喷枪（1）由涡旋式工作气体进气口（101）、圆形绝缘隔离罩（102）、内电极（103）、不锈钢管壁（104）、喇叭状等离子体喷嘴（105）、绝缘接头（106）构成，其特征在于：

所述样品台（6）具有自加温功能；

所述电弧等离子体炬射流喷枪（1）中，所述内电极（103）表面涂覆TiN涂层；所述不锈钢管壁（104）的材质为1Cr18Ni9Ti，且外壳管壁厚度在5~8mm范围；所述圆形绝缘隔离罩（102）材质为陶瓷，其壁厚不小于2mm；所述喇叭状等离子体喷嘴（105）材质为1Cr18Ni9Ti，其喷枪口直径与后端喇叭口直径比例应介于1:8~1:10，喇叭口开孔角度控制在35~45^o范围；

 所述排气系统（3）由封闭罩（301），气路挡板（302），管道（303）及抽气电机（304）构成，封闭罩（301）通过管道（303）与抽气电机（304）连接，位于封闭罩（301）一侧的管道（303）上设置有气路挡板（302），所述封闭罩（301）材质为透明有机玻璃，所述气路挡板（302）为不锈钢材质。

3.根据权利要求2所述的一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法所使用的装置，其特征在于：所述气路挡板（302）是栅栏式。

4.根据权利要求2或3所述的一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法所使用的装置，其特征在于：所述自加温样品台（6）的材质为金属铜，其上端面为光滑表面，样品台底部设置有电阻丝加热装置。

5.根据权利要求4所述的一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法所使用的装置，其特征在于：所述电弧等离子体炬射流喷枪（1）中使用的工作气体为氮气，其纯度不小于99.99%，且气压控制在0.04~0.07MPa之间；电弧离子体发生器（5）采用20~40KHz的中频电源，其工作功率在450W~1KW。

6.根据权利要求5所述的一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法所使用的装置，其特征在于：喷枪所获得等离子体炬的束流直径控制在0.5~2mm。

7.根据权利要求6所述的一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法所使用的装置，其特征在于：所述内电极（103）为一空心圆柱状金属柱，其前端为圆滑的半球状弧面。