CN103978306B - 熔石英光学元件激光修复装置及修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种熔石英光学元件激光修复装置及修复方法，属于光学材料加工技术领域。修复装置包括依光路走向设置的激光器、能量调节单元、光束调节单元、光束会聚透镜和元件位移平台；能量调节单元与光束调节单元之间设有一级反射镜；光束调节单元与光束会聚透镜之间设有二级反射镜；光束会聚透镜与元件位移平台之间设有三级反射镜；激光器、能量调节单元、光束调节单元由系统控制单元控制；系统控制单元与元件位移平台之间设有监控单元；元件位移平台上设有托架。本发明可快速、简易、精确的修复损伤坑，从而可以大幅度提高元件的利用率，降低元件的使用成本。修复区界面结合好，工艺简单、沉积速率快。

Description

熔石英光学元件激光修复装置及修复方法
技术领域
本发明涉及光学元件的修复，尤其是熔石英光学元件的修复，属于光学材料加工技术领域。
背景技术
熔石英材料由于其良好的光学透过特性以及低膨胀、耐高温的力学和热学特性，广泛应用于大型激光装置中窗口、透镜、滤波器、防溅屏等光学元件的制造。熔石英光学元件在大能量、短波长紫外强激光辐照条件下，表面极易出现损伤点，损伤点尺寸从数微米至数百微米，在后续激光辐照条件下，损伤点尺寸会急剧扩大，产生凹坑，形成表面大面积损伤区域，造成灾难性破坏，直接导致元件失效和报废。如果能够修复激光造成的表面损伤或者抑制损伤增长，将有效提高熔石英光学元件的使用寿命，降低运行成本和维护费用，具有重要经济意义。
目前针对损伤修复方法的研究报道，大部分采用二氧化碳激光辐照的方式，通过熔化熔石英材料损伤处形成修复坑，达到抑制损伤增长的目的。也有采用飞秒激光扫描逐层剥离实现损伤修复的方法。以上两种方法都取得了一定的修复效果。但是，这些修复方法都采用激光直接辐照的方式，修复过程伴随着辐照区熔石英材料的熔化、汽化蒸发、电离等复杂的能量耦合过程与种类复杂的反应产物，修复的结果只是将损伤区域平滑，减缓损伤坑的增长速度，而且在元件表面留下修复坑，无法使元件的形状得到恢复。修复坑的存在会对光束造成局部调制效应，降低元件的通光水平，并且造成局部强场，使得其边缘出现损伤的几率增加，并增大下游光学元件的损伤几率。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种激光熔融填充修复装置及修复方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
熔石英光学元件激光修复装置，包括依光路走向设置的激光器1、能量调节单元2、光束调节单元3、光束会聚透镜5和元件位移平台6；能量调节单元2与光束调节单元3之间设有一级反射镜4；光束调节单元3与光束会聚透镜5之间设有二级反射镜12；光束会聚透镜5与元件位移平台6之间设有三级反射镜13；激光器1、能量调节单元2、光束调节单元3由系统控制单元9控制；系统控制单元9与元件位移平台6之间设有监控单元8；元件位移平台6上设有托架7；托架7由底座7-1和与其螺旋连接的升降台7-2构成。
熔石英光学元件激光修复方法，包括以下工艺步骤：
A．将待修复的熔石英元件10与熔石英片11按照丙酮、酒精、去离子水的步骤进行清洗，然后在烘干箱中烘干；
B．将熔石英元件10与熔石英片11放置于托架7上，旋转升降台7-2，调节其高度，确定熔石英片11与熔石英元件10之间的间隙；
C．打开激光器1，由能量调节单元2与光束调节单元3控制输出激光的输出能量与光束质量，调节系统控制单元9的加工参数，采用定点辐照方式，使熔石英片11快速沉积在熔石英元件10上。
本发明采用激光作为热源，加热熔化作为修复材料的熔石英片，利用激光与物质相互作用时产生的热效应加热作为修复材料的熔石英片至软化点温度以上，使其激光加热位置处熔石英片后表面材料在表面张力与重力作用下产生喷溅微粒，依据熔石英受热后软化、粘度降低、无定形易流动的特点，使熔石英熔体在表面张力与重力作用下脱离熔石英片，沉积到被修复熔石英光学元件表面缺陷处，实现对熔石英光学元件表面缺陷的修复。
本发明的有益效果是，解决了光学元件由于激光辐照产生破坏而无法继续使用的问题，可快速、简易、精确的修复损伤坑，从而可以大幅度提高元件的利用率，降低元件的使用成本。修复区界面结合好，工艺简单、沉积速率快。相对二氧化碳激光修复方式，修复区周围热影响区面积更小，修复区表面更加光滑平整，在修复的性能上优于二氧化碳激光修复方式。本发明采用同等材料进行填充式修复，解决了填充材料与基体材料熔融混合时的界面结合问题，实现了表面缺陷区域的表面面形恢复，结合后续抛光及退火加工，修复区使用性能能够达到或者接近元件表面无缺陷区域性能。适用于熔石英元件的修复。
附图说明
图1是本发明激光修复装置结构框图；
图2是图1中托架结构示意图；
图3是托架纵向剖面图。
图中零部件及编号：
1—激光器，2—能量调节单元，3—光束调整单元，4—一级反射镜，
5—光束会聚透镜，6—元件位移平台，
7—托架，7-1—底座，7-2—升降台，7-3—紧固螺丝；
8—监控单元，9—系统控制单元，10—熔石英元件，11—熔石英片，
12—二级反射镜，13—三级反射镜。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
熔石英光学元件激光修复装置中：
激光器1作为加热源，提供熔化作为修复材料的熔石英片所需的能量，激光器选择类型包括CO2激光器、YAG激光器、光纤激光器等，激光输出方式采用连续输出方式与脉冲输出方式均可。
能量调节单元2通过折射、衍射、干涉、偏振等方式调节激光器输出的光束能量大小，进一步精确控制加热所需激光能量。
光束调整单元3对输出激光束进行空间整形，通过模式变换方法得到高斯、平顶、尖峰脉冲、圆环、矩形等不同空间分布类型光斑，以适应不同特征表面缺陷的修复需要。
一级反射镜4、二级反射镜12、二级反射镜13通过构建空间几何光路、实现激光束的空间传输。
光束会聚透镜5起聚焦激光束作用，实现激光束的局部定点加热。
元件位移平台6实现修复过程缺陷精确定位。
托架7起承载熔石英片作用，通过调节托架升降高度，实现激光束的正负离焦辐照加热。
监控单元8采用CCD成像、热传感成像、闪光检测等方式实时采集修复过程中表面缺陷状态信息，为修复过程闭环控制提供决策信息。
系统控制单元9分析过程监控单元提供的表面缺陷状态过程信息，实时调整加工参数，实现修复过程的负反馈闭环控制。
熔石英光学元件激光修复方法，包括以下工艺步骤：
元件清洗：将被修复熔石英光学元件与作为修复材料的熔石英片按照丙酮、酒精、去离子水的步骤进行清洗，然后在烘干箱中烘干；
安装熔石英片，搭建修复装置。将熔石英片11固定在托架7的升降台7-2上，旋转调节升降台7-2，由底座7-1和升降台7-2上的刻度确定其高度，进而确定熔石英片11与被修复熔石英元件表面之间间隙，两者表面保持大致平行，拧紧紧固螺丝7-3。
调节系统控制单元9的工作参数，采用定点辐照方式快速沉积，修复表面缺陷。
托架7由底座7-1和升降台7-2组成，两者通过螺纹连接。升降台7-2起定位支撑作用，熔石英片放置于升降台7-2底部凹槽中。操作时，托架7置于被修复熔石英光学元件10表面缺陷处，通过旋转升降台7-2调节其深入底座7-1的深度，从而调整熔石英片与熔石英光学元件表面的间隙大小。调节元件位移平台6与托架7实现对修复区域的精准定位。
本发明适用于修复表面缺陷尺寸从数微米至数百微米、元件直径尺寸毫米量级及以上的熔石英光学元件，修复尺寸可控，修复过程在真空或大气环境中都可进行。
本发明采用间接沉积方式，可恢复熔石英光学元件表面面形，沉积过程可控，对熔石英光学元件原有表面影响较小；可实现熔石英材料的快速沉积，沉积速率达1μm/s。

Claims (1)

1.一种熔石英光学元件激光修复装置，包括依光路走向设置的激光器(1)、能量调节单元(2)、光束调节单元(3)、光束会聚透镜(5)和元件位移平台(6)；能量调节单元(2)与光束调节单元(3)之间设有一级反射镜(4)；光束调节单元(3)与光束会聚透镜(5)之间设有二级反射镜(12)；光束会聚透镜(5)与元件位移平台(6)之间设有三级反射镜(13)；其特征在于，激光器(1)、能量调节单元(2)、光束调节单元(3)由系统控制单元(9)控制；系统控制单元(9)与元件位移平台(6)之间设有监控单元(8)；元件位移平台(6)上设有托架(7)；托架(7)由底座(7-1)和与其螺旋连接的升降台(7-2)构成；
其使用过程中还包括以下工艺步骤：
A.将待修复的熔石英元件(10)与熔石英片(11)按照丙酮、酒精、去离子水的步骤进行清洗，然后在烘干箱中烘干；
B.将熔石英元件(10)与熔石英片(11)放置于托架(7)上，旋转升降台(7-2)，调节其高度，确定熔石英片(11)与熔石英元件(10)之间的间隙；
C.打开激光器(1)，由能量调节单元(2)与光束调节单元(3)控制输出激光的输出能量与光束质量，调节系统控制单元(9)的加工参数，采用定点辐照方式，使熔石英片(11)快速沉积在熔石英元件(10)上。
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