CN106918920B - 利用偏振co2激光干涉加工镜片防雾结构的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用CO2激光干涉加工镜片防雾结构的装置与方法。利用抛光锗片，将原本圆偏振状态的CO2激光变成线偏振光，然后进行分光后的多光束相干叠加，在镜片表面制作出防雾微结构。与入射光轴成布儒斯特角放置的锗片，可将入射的圆偏振态的CO2激光分解起偏为线偏振的反射光(P波)和透射光(S波)，对透射光(S波)用吸收体进行吸收，对反射光(P波)进行分光后，会聚到待加工镜片表面重合并干涉，得到干涉激光条纹加工出的周期性平行沟槽的微纳防雾结构。本发明解决了CO2激光因为不可见在加工和调整中不方便的问题；通过光束干涉制作周期可控的微纳沟槽结构，改变镜片表面的接触角，使镜片表面表现为亲水性，实现镜片的防雾功能。

Description

利用偏振CO2激光干涉加工镜片防雾结构的装置与方法
技术领域
本发明属于激光干涉加工领域，具体涉及一种利用偏振CO2激光干涉加工镜片防雾结构的装置与方法。
背景技术
镜片作为一种常见的光学元件，在各个领域均有着广泛的应用，尤其是眼镜。但当镜片所处的环境温度突然降低，空气中的水蒸气受冷凝结成液滴，附着在镜片表面，会降低镜片的透过率，影响人的视觉，甚至引发一些严重的后果，比如车祸、医疗事故等，因此镜片防雾技术一直以来备受关注。传统的防雾方法可分为亲水性防雾和疏水性防雾，都是在镜片表面镀一层亲水薄膜或疏水薄膜，达到防雾的目的，但是膜的耐久性不佳，不能长期保持疏水性。
激光干涉光刻提供了一种快速的表面改性方法，并被用于改善材料表面的浸润性，这方面的灵感来自于仿生学，通过模拟制作大自然中的功能表面，可以得到良好的防雾效果。激光干涉光刻是利用两束或多束激光在材料表面产生干涉，形成周期性强弱相间的能量分布，进而实现激光对材料的三维刻蚀。通过控制激光束的波长、夹角、偏振态、功率和曝光时间等工艺参数，可在材料表面获得特定尺寸的微纳结构。这种技术与传统的镀膜技术相比，具有耐久、环保、低成本等优势。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明设计利用偏振CO2激光干涉加工镜片防雾结构的装置与方法，首先利用特殊角度放置的抛光锗片，将原本是圆偏振状态输出的CO2激光变成线偏振光，然后进行分光和分别反射、光斑叠加干涉，进而进行高效率的双光束干涉加工，在镜片表面制作出防雾微结构的装置与方法。
为达到上述目的，本发明通下述技术方案实现：
一种利用CO2激光进行镜片表面防雾结构加工的装置，其包括CO2激光器、机械快门、起偏器、分光镜、反射镜，待加工镜片，吸光器，其特征在于起偏器为与入射光轴呈布儒斯特角放置的锗片，可将入射的圆偏振态的CO2激光分解起偏为线偏振的反射光和透射光，吸光器对透射光进行吸收，分光镜对反射光进行分光，分光后的反射光经反射镜分别反射后，会聚到待加工镜片表面重合并干涉，得到干涉激光条纹加工出的周期性平行沟槽的微纳防雾结构。
所述起偏器的布儒斯特角为75.9°，其有效直径为Φ25mm，厚度为2mm。
采用一级以上分光镜和反射镜对反射光进行反射，实现1分2、2分4、或4分8的分光。
还包括指引光激光器，采用人眼可见的激光作为指示光，经分光镜反射和透射后与CO2激光同轴，起指引作用，辅助CO2激光加工和光路调整。
沟槽间距可通过改变反射镜的角度与位置进行调整，反射镜安装可调支架上，便于移动和角度调整。
所述吸光器由金属外壳和耐火吸收材料内芯制成，内芯将吸收的透射光转变为热能，通过金属外壳散发出去。
所述镜片为树脂镜片或其它可被红外激光加工的镜片。
根据上述装置进行镜片表面防雾结构加工的方法，CO2激光器发出的激光经过机械快门后，由按布儒斯特角放置的起偏器对激光束进行分解起偏，将圆偏振态的激光束变为线偏振态反射光和透射光，吸光器对透射光进行吸收消除，分光镜对反射光进行分光，将光束分成功率相等的多束反射光，多束光再经过反射镜被分别反射到待加工镜片上，调整反射镜的位置和角度，使得多束光在待加工表面上重合并形成干涉条纹，利用条纹的功率强弱不同待加工镜片进行加工，得到周期性平行沟槽的微纳防雾结构。
本发明相比于现有技术有以下优点：
因CO2激光的波长位于远红外波段，可被镜片材料吸收，实现汽化和切割；该装置采用了与入射光轴呈布儒斯特角放置的起偏器，将圆偏振光变为线偏振光，实现了对比度效果良好的镜片防雾微结构的激光加工；相比于现有的镀膜防雾技术，在耐久性、低成本、使用方便等方面具有明显优势；(2)还采用了指引光装置，指引光经调整后与红外激光同轴，解决了红外激光因为不可见所以在加工和调整中不方便的困难问题。
附图说明
图1为本发明的系统结构原理图；
图2为起偏器的光路原理图；
图3为计算机模拟的双光束干涉条纹的功率大小效果图；
图4为实际加工出镜片表面的沟槽结构，左图为60.8μm，右图为30.5μm。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明的基本构思如附图1所示：CO2激光器1发出的激光经过机械快门2后，由按布儒斯特角放置的起偏器3对激光束进行分解起偏，将圆偏振态的激光束变为线偏振态反射光 (p波)和透射光(s波)，对透射光采用吸光器9进行吸收消除，对反射光采用分光镜4进行1:1分光，将光束分成功率相等的两束反射光，两束光再经过反射镜5、6被分别反射到待加工镜片7上，调整反射镜5、6的位置和角度，使得两束光在待加工表面7上重合并形成干涉条纹，利用条纹的功率强弱不同对材料表面进行加工，可得到周期性平行沟槽的微纳防雾结构；指引光激光器8发出红色650nm的激光，利用分光镜4获得反射光和透射光，分别与CO2激光的透射部分和反射部分重合或平行，对它们起指引作用，指引光激光器8、起偏器3和反射镜5、6都分别固定在可调支架上，以便于对角度和位置进行精确调整，从而实现在镜片表面上的加工。
所述CO2激光器1为大功率气体激光器(可根据加工需要更换激光器，本方案中由于树脂镜片在可见光波段透过率高，故采用红外波段的CO2激光进行加工)，波长10.6μm，功率 150W，出射光束直径Φ8mm，发散角5mrad。
所述机械快门2采用单片机控制，响应时间1ms，有效口径为Φ10mm，机械快门2可将连续输出的激光束斩波为脉冲段，脉冲宽度为10～20ms，实现镜片的汽化和切割，根据镜片材质不同，可采用相应合适的脉冲宽度，实现理想的汽化切割效果。
所述起偏器3为经过抛光和镀膜的锗片，其法线与激光入射角方向成布儒斯特角，其有效直径为Φ25mm。
所述分光镜4采用ZnS红外晶体材料并镀膜，镀膜的膜系设计为将10.6μm的CO2激光进行1:1分光，同时对650nm的半导体激光也进行分光。
所述反射镜5、6优选K9玻璃制造，反射面镀金，为高反射膜HR@10.6μm，两个镜片都分别固定在二维精密调整架上，并置于光学平台上，便于平移位置并锁紧。
所述待加工材料7为树脂镜片或其它可被红外激光加工的镜片，作为被加工对象。
所述指引光激光器8为半导体激光器，发出650nm的红色可见光，经分光镜反射和透射后与CO2激光同轴，起指示作用。
所述吸光器9对无用的激光束进行吸收和滤除，由金属外壳和耐火吸收材料内芯制成，内芯材料将入射的红外激光转变为热能，通过金属外壳散发出去。对无用的激光束进行吸收和滤除，由金属外壳和耐火吸收材料内芯制成，内芯材料将入射的红外激光转变为热能，通过金属外壳散发出去。
所述激光器，机械快门、起偏器、分光镜、反射镜、指引光激光器等整个系统均放置在光学平台上，通过改变2个反射镜5、6的角度与位置，进而改变了夹角，得到不同的加工周期。
在一个方向上加工完成后，可以调换待镜片的x轴与y轴，这样就可以实现网状加工效果；
本方案在分光镜4后面还可以二次分光，进行4光束激光干涉加工。
计算示例如下，参见图2：
激光器输出波长为10.6μm，锗片折射率为4.008，
由布儒斯特角度计算公式：
Figure BDA0001274872580000041
由锗片折射率n2＝4.008，大气折射率n1＝1，
得θ＝75.9°；
当反射镜5、6反射的两束光夹角为α＝20°时，
加工周期
Figure BDA0001274872580000042
当反射镜5、6反射的两束光夹角为α＝10°时，
加工周期
Figure BDA0001274872580000043
图3为计算机模拟的双光束干涉条纹的功率大小效果图，图4为采用上述装置及方法实际加工出镜片表面的防雾沟槽结构，左图周期性沟槽尺寸为60.8μm，右图周期性沟槽尺寸为 30.5μm。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种利用CO2激光进行镜片表面防雾结构加工的装置，其包括CO2激光器(1)、机械快门(2)、起偏器(3)、分光镜(4)、反射镜(5、6)，待加工镜片(7)，吸光器(9)，其特征在于起偏器(3)为与入射光轴呈布儒斯特角放置的锗片，可将入射的圆偏振态的CO2激光分解起偏为线偏振的反射光和透射光，吸光器(9)对透射光进行吸收，分光镜(4)对反射光进行分光，分光后的反射光经反射镜(5、6)分别反射后，会聚到待加工镜片表面重合并干涉，得到干涉激光条纹加工出的周期性平行沟槽的微纳防雾结构；
所述CO2激光器输出波长位于远红外波段，且所述CO2激光器输出波长能够被待加工镜片(7)吸收。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述起偏器(3)的布儒斯特角为75.9°，其有效直径为Φ25mm，厚度为2mm。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：采用一级以上分光镜(4)和反射镜(5、6)对反射光进行反射，实现1分2、2分4、或4分8的分光。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括指引光激光器(8)，采用人眼可见的激光作为指示光，经分光镜(4)反射和透射后与CO2激光同轴，起指引作用，辅助CO2激光加工和光路调整。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：沟槽间距可通过改变反射镜(5、6)的角度与位置进行调整，反射镜(5、6)安装可调支架上，便于移动和角度调整。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述吸光器(9)由金属外壳和耐火吸收材料内芯制成，内芯将吸收的透射光转变为热能，通过金属外壳散发出去。
7.根据前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于：所述CO2激光器输出波长为10.6μm，可被镜片材料吸收，实现汽化和切割，所述镜片为树脂镜片或其它可被红外激光加工的镜片。
8.根据权利要求1-7任一项所述的装置进行镜片表面防雾结构加工的方法，其特征在于：CO2激光器(1)发出的激光经过机械快门(2)后，由按布儒斯特角放置的起偏器(3)对激光束进行分解起偏，将圆偏振态的激光束变为线偏振态反射光和透射光，吸光器(9)对透射光进行吸收消除，分光镜(4)对反射光进行分光，将光束分成功率相等的多束反射光，多束光再经过反射镜(5、6)被分别反射到待加工镜片(7)上，调整反射镜(5、6)的位置和角度，使得多束光在待加工镜片(7)上重合并形成干涉条纹，利用条纹的功率强弱不同待加工镜片(7)进行加工，得到周期性平行沟槽的微纳防雾结构。
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