CN107116479B - 用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴包括外喷嘴筒、内喷嘴筒和位于内喷嘴筒内用于喷出化学刻蚀液的喷口组件，所述外喷嘴筒和内喷嘴筒均由直圆筒段和异形锥筒段构成，外喷嘴筒通过作为其筒底的环形板与内喷嘴筒联接，外喷嘴筒的直圆筒段设计有乙醇蒸汽进口，外喷嘴筒内壁面和内喷嘴筒的外壁面形成用于乙醇蒸汽喷出的环形喷腔，环形喷腔的出口为长方形；所述喷口组件由成一排设置的多个喷口和与喷口相通的进液室构成，进液室设计有化学刻蚀液进口，喷口组件通过进液室设置在内喷嘴筒的筒底上，喷口组件的喷口端面高于环形喷腔的出口端面。该组合喷嘴可提高对光学元件的高频误差、表面破坏层和亚表面损伤层去除的加工效率。

Description

用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴
技术领域
本发明属于数控化学抛光技术领域，具体涉及一种用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴。
背景技术
高功率激光系统对光学元件表面加工质量要求很高，光学元件表面的瑕疵，加工残余误差和亚表面损伤都会对元件的损伤阈值产生明显的影响。当激光入射到光学元件上尖锐的突起或凹坑边缘时会发生强烈的散射，从而损伤元件。如果散射发生在光学元件的表面破坏层或亚表面损伤层时，由于表面破坏层和亚表面损伤层的强度较低，更易造成破坏，损伤元件。因而对光学元件的高频误差以及表面破坏层和亚表面损伤层的去除很有必要性。
相比磁射流抛光和磁流变等抛光方式，数控化学抛光技术借鉴了小工具数控抛光的基本工艺思想，采用湿法化学刻蚀的机理，工艺参数可控性强。由于使用腐蚀液对基片进行柔性加工，因此加工过程中不会产生附加的机械接触应力及摩擦热应力，也不会形成亚表面缺陷。数控化学抛光技术的基础是Marangoni界面效应，其基本思想就是采用可挥发的乙醇类蒸汽喷射光学元件表面，乙醇挥发形成的的温度梯度(即Marangoni表面张力梯度)迅速将使液膜表面产生收缩，从而达到干燥表面的目的，避免了加热干燥或离心旋转方法去除液膜时容易在光学表面上形成污染的缺点。但现有化学刻蚀喷嘴通常为圆形单喷嘴结构，刻蚀加工范围有限，且加工效率较低。如对尺寸为330×330(mm)CCP(连续位相板)元件进行化学刻蚀加工，总用时达480小时之多，加工效率极低。而又由于数控化学抛光技术属于微射流加工技术，不能通过增加射流压强来提高加工效率。此外，加工过程中存在刻蚀头对准偏差等问题引起加工不均匀，增加整片元件的波纹度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴，在保证抛光质量的同时提高对光学元件的高频误差、表面破坏层和亚表面损伤层去除的加工效率和加工的稳定均匀性。
针对上述方法目的，本发明提供的用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴包括外喷嘴筒、内喷嘴筒和位于内喷嘴筒内用于喷出化学刻蚀液的喷口组件，所述外喷嘴筒和内喷嘴筒均由直圆筒段和异形锥筒段构成，外喷嘴筒通过作为其筒底的环形板与内喷嘴筒联接，外喷嘴筒的直圆筒段设计有乙醇蒸汽进口，外喷嘴筒内壁面和内喷嘴筒的外壁面形成用于乙醇蒸汽喷出的环形喷腔，环形喷腔的出口形状与喷口组件的端头形状相匹配；所述喷口组件由成一排设置的多个喷口和与喷口相通的进液室构成，进液室设计有化学刻蚀液进口，喷口组件通过进液室设置在内喷嘴筒的筒底上，喷口组件的喷口端面高于环形喷腔的出口端面；内喷嘴筒的内壁面与喷口组件之间的空间为加工后的化学刻蚀液回收室，回收室的底部设计有排液口。
在本发明的上述技术方案中，外喷嘴筒锥筒段的锥角最好大于内喷嘴筒锥筒段的锥角，以保证乙醇蒸汽有效发挥作用。
在本发明的上述技术方案中，所述喷口组件优先设计为2～5个化学刻蚀液喷口，喷口组件的端头形状为长方形。用于乙醇蒸汽喷出的环形喷腔，其出口形状最好与喷口组件的端口形状相一致。
在本发明的上述技术方案中，所述喷口组件的喷口内径优选为5～10mm。
在本发明的上述技术方案中，喷口组件中相邻两个喷口中心之间的间距最好为喷口内径的1.8～2.2倍，各喷口的中心距内喷嘴筒出口端壁面的垂直距离为喷口内径的0.8～1.2倍。
在本发明的上述技术方案中，内喷嘴筒外壁面与外喷嘴筒内壁面之间形成的环形喷腔出口宽度最好为喷口组件喷口内径的0.4～0.6倍。
在本发明的上述技术方案中，沿外喷嘴筒直圆筒段壁面周向最好对称分布设置4个乙醇蒸汽进口。
在本发明的上述技术方案中，内喷嘴筒的筒底上最好设置4个均匀对称分布的排液口。
在本发明的上述技术方案中，喷口组件的喷口端面最好高于环形喷腔的出口端面1～2mm。
本发明所述用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴由模具铸造后再经机床精加工而成。本发明所述组合喷嘴应用于本领域常规数控湿法化学刻蚀中，先将所述组合喷嘴安装在三维控制机床上，与刻蚀液(加工用酸液，如氢氟酸刻蚀液)和乙醇蒸汽供给系统连接，再将待加工基片安装在待加工基片支架上，并位于组合喷嘴喷口的正上方，(即采用倒喷模式)，化学刻蚀液经喷嘴由下往上喷出，均匀分布在位于喷嘴上方的光学元件上，通过数控机床的控制，实现对光学元件的定时定量的抛光。酸蚀过程中产生的加工废液落入内喷嘴筒中回收，避免了新的污染源的产生。
与现有技术相比，本发明具有以下十分有益的技术效果：
1.本发明所述组合喷嘴由成一排设置的多个喷口和与喷口相通的进液室构成，多个喷口同时喷出化学刻蚀液对元件表面进行酸蚀加工，从而提高抛光效率。
2.本发明所述组合喷嘴采用倒喷模式安装使用，化学刻蚀液经喷嘴由下往上喷出，均匀分布在位于喷嘴上方的光学元件上，且酸蚀过程中产生的络合物沉淀可随刻蚀液一起进入回收室，避免了新的污染源的产生。
3.本发明所述组合喷嘴的多个喷口呈直线型排列，通过控制各喷口的流量使刻蚀加工函数近似为高斯函数，不仅对光学元件表面的抛光均匀，加工效率更明显提高。
4.本发明所述组合喷嘴的多个喷口组间距相等，相比现有圆形单喷嘴，加工时机床的扰动对加工路径的扰动较小，提高加工的均匀性。
5.本发明所述喷嘴结构简单，易于加工制造。
附图说明
图1为本发明所述组合喷嘴的主视图；
图2为本发明所述组合喷嘴的俯视图；
图3为本发明所述组合喷嘴的仰视图；
图4为本发明所述组合喷嘴的侧视图；
图5为图2的A-A剖视图；
图6为图2的B-B剖视图。
图中，1—外喷嘴筒，2—内喷嘴筒，3—喷口，4—进液室，5—化学刻蚀液进口，6—排液口，7—乙醇蒸汽进口。
具体实施方式
以下通过实施例并结合附图对本发明所述用于岩石损伤测试的可调式声发射测试传感器定位装置作进一步说明，需要特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于实施例所描述的形式。
实施例1
本实施例用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴，其结构如图1-6所示，包括外喷嘴筒1、内喷嘴筒2和位于内喷嘴筒内用于喷出化学刻蚀液的喷口组件，所述外喷嘴筒和内喷嘴筒均由直圆筒段和异形锥筒段构成，外喷嘴筒通过作为其筒底的环形板与内喷嘴筒联接，外喷嘴筒锥筒段的锥角大于内喷嘴筒锥筒段的锥角。沿外喷嘴筒直圆筒段壁面周向对称分布有4个乙醇蒸汽进口7，外喷嘴筒内壁面和内喷嘴筒的外壁面形成用于乙醇蒸汽喷出的环形喷腔，环形喷腔的出口为长方形出口，出口形状与喷口组件的端口形状相一致。所述喷口组件由成一排设置的3个喷口3和与喷口相通的进液室4构成，进液室设计有化学刻蚀液进口5，喷口组件通过进液室设置在内喷嘴筒的筒底上，喷口组件的喷口端面高于环形喷腔的出口端面2mm；内喷嘴筒的内壁面与喷口组件之间的空间为加工后的化学刻蚀液回收室，回收室的底部(内喷嘴筒的筒底)设置有4个均匀对称分布的排液口6。
组合喷嘴的尺寸如下：
单个喷口的内径D为5mm，喷口壁厚为0.5mm。
相邻两个喷口中心之间的间距为2D。
各喷口的中心距离内喷嘴筒出口端壁面的垂直距离为D。
内喷嘴筒外壁面与外喷嘴筒内壁面之间形成的环形喷腔出口宽度1/2D。

Claims (10)

1.用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴，其特征在于，包括外喷嘴筒(1)、内喷嘴筒(2)和位于内喷嘴筒内用于喷出化学刻蚀液的喷口组件，所述外喷嘴筒和内喷嘴筒均由直圆筒段和异形锥筒段构成，外喷嘴筒通过作为其筒底的环形板与内喷嘴筒联接，外喷嘴筒的直圆筒段设计有乙醇蒸汽进口(7)，外喷嘴筒内壁面和内喷嘴筒的外壁面形成用于乙醇蒸汽喷出的环形喷腔，环形喷腔的出口形状与喷口组件的端头形状相匹配；所述喷口组件由成一排设置的多个喷口(3)和与喷口相通的进液室(4)构成，进液室设计有化学刻蚀液进口(5)，喷口组件通过进液室设置在内喷嘴筒的筒底上，喷口组件的喷口端面高于环形喷腔的出口端面；内喷嘴筒的内壁面与喷口组件之间的空间为加工后的化学刻蚀液回收室，回收室的底部设计有排液口(6)。
2.根据权利要求1所述的用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴，其特征在于，外喷嘴筒锥筒段的锥角大于内喷嘴筒锥筒段的锥角。
3.根据权利要求1所述的用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴，其特征在于所述喷口组件设计有2～5个化学刻蚀液喷口，喷口组件的端头形状为长方形。
4.根据权利要求1～3中任一所述的用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴，其特征在于所述喷口组件的喷口内径为5～10mm。
5.根据权利要求4所述的用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴，其特征在于喷口组件中相邻两个喷口中心之间的间距为喷口内径的1.8～2.2倍，各喷口的中心距内喷嘴筒出口端壁面的垂直距离为喷口内径的0.8～1.2倍。
6.根据权利要求4权利要求所述用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴，其特征在于内喷嘴筒外壁面与外喷嘴筒内壁面之间形成的环形喷腔出口宽度为喷口组件喷口内径的0.4～0.6倍。
7.根据权利要求1～3中任一权利要求所述用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴，其特征在于喷口组件的喷口端面高于环形喷腔的出口端面1～2mm。
8.根据权利要求4权利要求所述用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴，其特征在于喷口组件的喷口端面高于环形喷腔的出口端面1～2mm。
9.根据权利要求1～3中任一所述用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴，其特征在于沿外喷嘴筒直圆筒段壁面周向对称分布有4个乙醇蒸汽进口(7)。
10.根据权利要求1～3中任一所述用于光学元件加工的数控湿法化学刻蚀组合喷嘴，其特征在于内喷嘴筒的筒底上设置有4个均匀对称分布的排液口(6)。
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