CN105583524B - 一种精密的激光抛光装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种精密的激光抛光装置及其方法，将表面涂覆有微纳米颗粒的玻璃板帖附在待抛光工件表面，微纳米颗粒位于玻璃板与待抛光工件之间，采用脉冲激光器发射出脉冲激光，聚焦的脉冲光束辐射于表面涂覆有微纳米颗粒的玻璃板，微纳米颗粒相当于一聚焦透镜，激光经微纳米颗粒聚焦后，在微纳米颗粒周围产生能量增强，使待抛光工件表面凸出或尖端部分熔化，实现抛光效果。本发明是利用微纳米颗粒的局域场增强效应，通过微纳米颗粒会聚脉冲激光作用于材料表面，实现微纳米尺度范围的激光抛光技术。抛光装置搭建方便，简单易行；对于复杂形态和外貌的待抛光工件表面，使用该方法依然获得良好的抛光效果。

Description

一种精密的激光抛光装置及其方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及一种精密的激光抛光装置及其方法。

背景技术

激光抛光技术采用激光束扫描加工工件表面，通过激光与材料相互作用，去除表面的多余物质，形成光滑平面。它是随着激光技术的发展出现的一种新型材料表面处理技术，从根本上解决了传统抛光技术很难解决的或者根本不可能解决的问题，特别是为具有复杂形态和形貌的工件表面的提供了自动加工的可能性，因此激光抛光技术是一种很有前途的新型材料加工技术。

目前激光抛光技术主要研究激光参数对抛光效果的影响。现有技术中公开了多种激光抛光的装置和方法，如发明专利CN101524819A公布了一种采用绿光和紫外光激光抛光蓝宝石的复合工艺方法，利用激光辐射与材料表面的光热耦合作用，以蒸发、熔融等形式为主去除材料，并伴有微小破碎和光化学作用机制去除材料，获得低表面粗糙度和亚表面损伤程度的抛光表面。由于衍射效应的存在，激光光斑的聚焦直径大部分在毫米尺度，很难实现微纳米尺度的激光抛光效果。

发明内容

为克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种精细的激光抛光装置和方法，实现微纳米尺度的激光抛光技术，提高现有技术的激光抛光质量和效果。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种精密的激光抛光装置，其特征在于，包括脉冲激光器、扫描阵镜、聚焦偏转光学系统、三维移动平台、玻璃板、聚焦偏转光学系统控制板、激光控制板、三维精密控制装置、计算机、微纳米颗粒，所述扫描阵镜、聚焦偏转光学系统位于所述脉冲激光器的激光光路上，所述微纳米颗粒涂覆在玻璃板表面上，所述玻璃板涂覆有微纳米颗粒的一面贴合在待抛光工件上，所述待抛光工件放置在三维移动平台上；所述聚焦偏转光学系统控制板、激光控制板、三维精密控制装置均与计算机连接，所述三维移动平台与三维精密控制装置相连，聚焦偏转光学系统控制板与聚焦偏转光学系统相连，所述激光控制板与脉冲激光器相连。

所述的精密的激光抛光装置的精密激光抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制作表面涂覆有微纳米颗粒的玻璃板。

①彻底清洗玻璃：首先用肥皂水去除有机残留物和油，然后进行深层次清洗，分别在甲醇或55℃丙酮中超声处理10分钟；

②亲水处理玻璃：采用去离子水漂洗玻璃后，用硝酸和水的体积比为1:3的溶液浸泡24-32小时，取出，用去离子水冲洗，用N₂气体干燥玻璃备用；

③单层微纳米颗粒的制备：超声处理微纳米颗粒的溶液，制备成微纳米颗粒悬浮液，使用珀尔帖单体，接通电极作为热源；玻璃板表面滴上微纳米颗粒悬浮液，倾斜放置并完全干燥；

2)待抛光工件表面预处理：采用机械方法，利用由粗到细的砂纸将待抛光的待抛光工件打磨平整，由抛光机表面抛光，至表面粗糙度Ra＜1μm；

3)玻璃板覆盖待抛光工件：已表面预处理好的待抛光工件表面方向为垂直向下，带有微纳米颗粒的玻璃表面方向为垂直向上，将已预处理好的待抛光工件表面贴合带有微纳米颗粒的玻璃表面；

4)调节激光光束传播方向与待抛光工件表面法线方向的夹角：迅速翻转贴合好后的待抛光工件与玻璃板，放置在三维移动平台上，调整聚焦偏转光学系统，使激光光束传播方向与待抛光工件表面法线应具有夹角β；

5)激光辐照待抛光工件：

①设置激光能量：通过激光控制板设置激光能量，根据材料的激光损伤阈值J₀，选取辐射待抛光工件的激光能量0.9J₀<J<1.1J₀；

②确定扫描激光搭接率：通过激光控制板设置激光的扫描速度，从而确定扫描激光搭接率η；

③扫描抛光待抛光工件表面：脉冲激光器发射脉冲激光，扫描待抛光工件表面，位于玻璃板与待抛光工件间的微纳米颗粒相当于一聚焦透镜，激光经微纳米颗粒聚焦后，使待抛光工件表面凸出或尖端部分熔化，经过激光的反复扫描，实现抛光效果。

优选地，所述微纳米颗粒直径R选取为：

优选地，所述激光器发射的脉冲激光的形状为平顶光束。

优选地，所述制作单层微纳米颗粒时，已滴上微纳米颗粒悬浮液的玻璃在干燥时，倾斜角度p＝9°。

优选地，激光光束传播方向与待抛光工件表面法线的夹角0<β<45°。

优选地，所述激光能量J＝J₀。

优选地，扫描激光搭接率η＝0.2。

优选地，所述微纳米颗粒为SiO₂颗粒、PS颗粒、金颗粒或银颗粒。

优选地，所述待抛光工件为非金属材料或者含钛、铜、铝、不锈钢、铁的金属材料。

所述的精密的激光抛光装置和方法的有益效果：

①抛光装置搭建方便，无需传统复杂的机械装置进行待抛光工件的抛光处理。搭建的抛光装置，使用的偏转阵镜、激光器等都是基本的光学元件，按照实验前拟定的光路图进行搭建，无需特别购买相关设备，简单易行。

②对于复杂形态和形貌的待抛光工件表面，使用该方法依然获得良好的抛光效果。传统的激光抛光，如研磨抛光，会出现磨痕。通过原子力显微镜等可以观察到这些刮痕，刮痕深度可能达到几十纳米，从而影响了抛光质量。而采用本专利的方法，利用激光束通过偏转阵镜来回扫描待抛光工件表面，由于微纳米颗粒周围的近场增强效应，可以实现高质量的抛光效果。

附图说明

图1为本发明所述精密激光抛光装置的结构图。

图2工件表面涂覆有微纳米颗粒的分布示意图。

图3激光垂直入射透明颗粒的光场分布图及分界面能量分布曲线图。

图4激光45°角入射透明颗粒的光场分布图及分界面能量分布曲线图。

图5为本发明所述精密激光抛光方法的工艺流程图。

图6激光抛光前粗糙度曲线。

图7玻璃板表面颗粒SEM图。

图8激光抛光后粗糙度曲线。

图中：1-脉冲激光器；2-扫描阵镜；3-聚焦偏转光学系统；4-玻璃板；5-待抛光工件；6-聚焦偏转光学系统控制板；7-激光控制板；8-三维精密控制装置；9-计算机；10-微纳米颗粒；11-三维移动平台；31-反射镜；32-可调反射镜；33-聚焦透镜。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

以下将结合实施例对本发明技术方案做进一步详述。

如图1所示为本发明技术方案实施的激光抛光装置，包含脉冲激光器1、扫描阵镜2、聚焦偏转光学系统3、玻璃板4、待抛光工件5、聚焦偏转光学系统控制板6、激光控制板7、三维精密控制装置8、计算机9、微纳米颗粒10、三维移动平台11。所述扫描阵镜2、聚焦偏转光学系统3位于所述脉冲激光器1的激光光路上，聚焦偏转光学系统3主要由反射镜31、可调反射镜32和聚焦透镜33组成。所述微纳米颗粒10涂覆在玻璃板4表面上，所述玻璃板4涂覆有微纳米颗粒10的一面贴合在待抛光工件5上，所述待抛光工件5放置在三维移动平台11上；所述聚焦偏转光学系统控制板6、激光控制板7、三维精密控制装置8均与计算机9连接，所述三维移动平台11与三维精密控制装置8相连，聚焦偏转光学系统控制板6与聚焦偏转光学系统3相连，所述激光控制板7与脉冲激光器1相连。脉冲激光器1发射出脉冲激光，经过扫描阵镜2控制传输脉冲的扫描速度，然后光束进入到聚焦偏转光学系统3，首先经过反射镜31实现光束偏转，射入到与竖直方向成θ角的可调节反射镜32，然后经过一聚焦透镜33，将脉冲光束会聚于表面涂覆有微纳米颗粒的玻璃板4上，会聚于待抛光工件4上的光束与竖直方向成β角。微纳米颗粒接触待抛光工件5的被处理表面，由聚焦偏转光学系统3调节激光作用于待抛光工件5表面的位置。激光器1参数由激光控制板7设置，待抛光工件5的位置参数由三维精密控制装置8设置，聚焦偏转光学系统3由聚焦偏转光学系统控制板6设置。计算机9用于操作激光控制板7、三维精密控制装置8和聚焦偏转光学系统控制板6。

本发明所述的精密激光抛光方法，将表面涂覆有微纳米颗粒10的玻璃板4贴附在待抛光工件5表面，使微纳米颗粒10位于玻璃板4与待抛光工件5之间，微纳米颗粒10接触待抛光工件5的被处理表面。如图2所示工件表面涂覆有微纳米颗粒的分布示意图。微纳米颗粒相当于一聚焦透镜，激光经微纳米颗粒聚焦后，在微纳米颗粒周围产生能量增强，使待抛光工件表面凸出或尖端部分熔化，经过激光扫描，实现抛光效果。本发明所述的抛光方法适用于包含钛、铜、铝、不锈钢、铁等金属材料，也适用于陶瓷等非金属材料。

如图3是激光垂直透明颗粒的入射光场分布图及分界面能量分布曲线图。图中实线箭头所指的位置为颗粒和工件表面的分界面。虚线箭头分别所指的是颗粒的起始位置A和结束位置B。能量分布曲线图的虚线分别对应A和B的位置，实线表示入射激光能量初始值1。从能量分布曲线图可以得出①、③、⑤、⑦、⑨为能量增强点，②、④、⑥、⑧为低能量点，而且①、③、⑤、⑦、⑨点所在位置恰为待光样品的凸出或尖端部分，是激光光场能量集中处；②、④、⑥、⑧点所在的位置恰好为凹处，光场能量较弱或基本无光场能量，激光能量的重新分布为抛光工艺奠定了理论可行性。如图4是透明颗粒激光45°角入射光场分布图及分界面能量分布曲线图，分析与图3结论一致。

本发明是利用微纳米颗粒的局域场增强效应，通过微纳米颗粒会聚脉冲激光作用于材料表面，实现微纳米尺度范围的激光抛光技术。具体的，如图5所示，本发明所述的精密激光抛光方法，包括以下步骤：

1)制作表面涂覆有微纳米颗粒的玻璃板

①彻底清洗玻璃：首先用肥皂水去除有机残留物和油，然后进行深层次清洗，分别在甲醇或55℃丙酮中超声处理10分钟。

②亲水处理玻璃：玻璃清洗干净后进行亲水处理，采用去离子水漂洗玻璃后，用硝酸和水的体积比为1:3的溶液浸泡24-32小时，取出，用去离子水冲洗和N₂气体干燥玻璃备用。

③单层微纳米颗粒的制备：为了获得理想的单层排布整齐的微纳米颗粒，超声处理微纳米颗粒的溶液，制备成微纳米颗粒悬浮液，使用珀尔帖单体，接通电极作为热源。玻璃板表面滴上微纳米颗粒悬浮液，置于干燥通风的盒子中，盒子倾斜一个小角度p，待24-36小时完全干燥。

2)待抛光工件表面预处理

采用机械方法，利用由粗到细的砂纸将待抛光工件表面打磨平整，由抛光机进行表面抛光，清洗干净后显微测试表面粗糙度，要求Ra＜1μm。

3)玻璃板覆盖待抛光工件

将已预处理好的待抛光工件表面贴合带有微纳米颗粒的玻璃表面，注意已预处理好的待抛光工件表面方向为垂直向下，带有微纳米颗粒的玻璃板表面方向为垂直向上，避免微纳米颗粒从玻璃上滑落。玻璃板还有一个作用是当激光与材料表面发生相互作用时，限制微纳米颗粒脱离材料表面，影响抛光效果。

4)调节激光光束传播方向与待抛光工件表面法线方向的夹角

贴合好后迅速翻转待抛光工件与玻璃板，放置在三维移动平台上。根据仿真分析和实验结果，激光光束传播方向与待抛光工件表面法线应具有一定的夹角β，通过调节聚焦偏转光学系统的可调反射镜与竖直方向夹角θ，抛光效果更好。根据几何关系其中采用聚焦偏转光学系统或三维精密控制装置保证夹角θ的调节。

5)激光辐照待抛光工件。

①设置激光能量：根据材料的激光损伤阈值J₀，选取辐照待抛光工件的激光能量0.9J₀<J<1.1J₀。

②确定扫描激光搭接率：由于激光光斑边缘部分能量比较低，材料只吸收低能量的激光，表面不产生任何作用，因此设置激光的扫描速度，从而确定扫描激光搭接率η。

③扫描抛光待抛光工件表面：采用上述所说的激光抛光装置发射脉冲激光，扫描待抛光工件表面，实现抛光效果。

为了防止颗粒的堆叠和实现较佳的抛光效果，微纳米颗粒尺寸直径R选取为所述微纳米颗粒包括透明颗粒和不透明颗粒，如SiO₂颗粒，PS颗粒，金颗粒，银颗粒等。激光器发射的脉冲激光的形状为平顶光束。制作单层微纳米颗粒时，放置的盒子倾斜角度p＝9°。为保证待抛光工件表面的微纳米颗粒发生堆叠，倾斜一定的夹角0<β<45°。根据抛光效果，选取激光能量J＝J₀；扫描激光搭接率η＝0.2。

实施例

根据图5所示的工艺步骤，首先，分别采用160目、240目、600目、800目、1000目、1200目、1600目、2000目的砂纸打磨待抛光工件表面，由抛光机进行表面抛光，用酒精清洗干净后显微测试出表面粗糙度Ra＝0.751μm，粗糙度曲线如图6所示。

制作表面涂覆有微纳米颗粒玻璃板，首先用肥皂水清洗玻璃板的表面，用甲醇超声处理10分钟，再经去离子水漂洗玻璃板后，用硝酸和水的体积比为1:3的溶液浸泡24小时，取出玻璃板，用去离子水冲洗，最后用N₂气体干燥玻璃板，保存备用。

选取微纳米颗粒为SiO₂，微纳米颗粒尺寸直径R为500nm，超声处理微纳米颗粒原液，然后将所得溶液按1:1比例与酒精混合均匀，使用微量移液器将混合溶液移至螺口西林瓶中，再次进行超声处理，即可得到微纳米颗粒悬浮液。使用珀尔帖单体，接通电极作为热源。然后在已制备的玻璃板表面上滴几滴微纳米颗粒悬浮液，置于干燥通风的盒子中，盒子倾斜9°，待30小时完全干燥，保存备用。图7为玻璃板表面颗粒SEM图。

将已预处理好的待抛光工件表面贴合带有微纳米颗粒的玻璃表面，注意待抛光工件表面方向为垂直向下，带有微纳米颗粒的玻璃表面方向为垂直向上，避免微纳米颗粒从玻璃上滑落。贴合好后迅速翻转待抛光工件与玻璃板，放置在三维移动平台上。

采用法国固体激光器，激光器波长为1064nm，频率为5Hz，最大能量为10J，脉宽为15ns，脉宽形状为平顶光束。

调节聚焦偏转光学系统中的偏转阵镜与竖直方向的夹角θ，根据仿真分析和实验统计，选取因此

通过焦距为1m的聚焦透镜会聚为1mm的光斑。

选取的激光能量500mJ，扫描激光搭接率η＝0.2。采用上述激光抛光装置发射脉冲激光，扫描待抛光工件表面，实现抛光效果，处理后待抛光工件表面的粗糙度曲线如图8所示，表面粗糙度Ra＝0.327μm。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种精密的激光抛光装置，其特征在于，包括脉冲激光器(1)、扫描振镜(2)、聚焦偏转光学系统(3)、三维移动平台(11)、玻璃板(4)、聚焦偏转光学系统控制板(6)、激光控制板(7)、三维精密控制装置(8)、计算机(9)、微纳米颗粒(10)，所述扫描振镜(2)、聚焦偏转光学系统(3)位于所述脉冲激光器(1)的激光光路上，所述微纳米颗粒(10)涂覆在玻璃板(4)表面上，所述玻璃板(4)涂覆有微纳米颗粒(10)的一面贴合在待抛光工件(5)上，所述待抛光工件(5)放置在三维移动平台(11)上；所述聚焦偏转光学系统控制板(6)、激光控制板(7)、三维精密控制装置(8)均与计算机(9)连接，所述三维移动平台(11)与三维精密控制装置(8)相连，聚焦偏转光学系统控制板(6)与聚焦偏转光学系统(3)相连，所述激光控制板(7)与脉冲激光器(1)相连。

2.权利要求1所述的精密的激光抛光装置的精密激光抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制作表面涂覆有微纳米颗粒(10)的玻璃板(4)：

①彻底清洗玻璃：首先用肥皂水去除有机残留物和油，然后进行深层次清洗，分别在甲醇或丙酮中超声处理；

②亲水处理玻璃：采用去离子水漂洗玻璃后，用硝酸和水的体积比为1:3的溶液浸泡24-32小时，取出，用去离子水冲洗，用N₂气体干燥玻璃备用；

③单层微纳米颗粒(10)的制备：超声处理微纳米颗粒(10)的溶液，制备成微纳米颗粒(10)悬浮液，使用珀尔帖单体，接通电极作为热源；玻璃板(4)表面滴上微纳米颗粒(10)悬浮液，倾斜放置并完全干燥；

2)待抛光工件(5)表面预处理：采用机械方法，利用由粗到细的砂纸将待抛光工件(5)表面打磨平整，由抛光机表面抛光，至表面粗糙度Ra＜1um；

3)玻璃板(4)覆盖待抛光工件(5)：已表面预处理好的待抛光工件(5)表面方向为垂直向下，带有微纳米颗粒(10)的玻璃表面方向为垂直向上，将待抛光工件(5)表面贴合带有微纳米颗粒(10)的玻璃表面；

4)调节激光光束传播方向与待抛光工件(5)表面法线方向的夹角：迅速翻转贴合好后的待抛光工件(5)与玻璃板(4)，放置在三维移动平台(11)上，调整聚焦偏转光学系统(3)中的偏转阵镜使激光光束传播方向与待抛光工件(5)表面法线应具有夹角β；

5)激光辐照待抛光工件(5)：

①设置激光能量：通过激光控制板(7)设置激光能量，根据材料的激光损伤阈值J₀，选取辐照待抛光工件(5)的激光能量0.9J₀<J<1.1J₀；

②确定扫描激光搭接率：通过激光控制板(7)设置激光的扫描速度，从而确定扫描激光搭接率η；

③扫描抛光待抛光工件(5)表面：脉冲激光器(1)发射脉冲激光，扫描待抛光工件(5)表面，位于玻璃板(4)与待抛光工件(5)间的微纳米颗粒(10)相当于一聚焦透镜，激光经微纳米颗粒(10)聚焦后，使待抛光工件(5)表面凸出或尖端部分熔化，经过激光扫描，实现抛光效果。

3.根据权利要求2所述的精密激光抛光方法，其特征在于，所述微纳米颗粒(10)直径R选取为：

4.根据权利要求2所述的精密激光抛光方法，其特征在于，所述激光器发射的脉冲激光的形状为平顶光束。

5.根据权利要求2所述的精密激光抛光方法，其特征在于，所述制作单层微纳米颗粒(10)时，滴上微纳米颗粒(10)悬浮液的玻璃在干燥时，倾斜角度p＝9°。

6.根据权利要求2所述的精密激光抛光方法，其特征在于，激光光束传播方向与待抛光工件(5)表面法线的夹角0<β<45°。

7.根据权利要求2所述的精密激光抛光方法，其特征在于，所述激光能量J＝J₀。

8.根据权利要求2所述的精密激光抛光方法，其特征在于，扫描激光搭接率η＝0.2。

9.根据权利要求2所述的精密激光抛光方法，其特征在于，所述微纳米颗粒(10)为SiO₂颗粒、PS颗粒、金颗粒或银颗粒。

10.根据权利要求2所述的精密激光抛光方法，其特征在于，所述待抛光工件(5)为非金属材料或者含钛、铜、铝、不锈钢、铁的金属材料。