CN107200464A - 裂纹熔合装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的裂纹熔合装置及其方法，涉及光学加工技术领域。该裂纹熔合装置通过将电源与等离子体发生器电连接、且两者之间串联有功率匹配器，等离子体发生器用于产生等离子体射流。数控系统包括第一控制系统和第二控制系统，第一控制系统与等离子体发生器连接，用于控制等离子体射流的能量，以及对等离子体发生器工作状态的监控；第二控制系统与加工机床连接，用于控制等离子体射流与光学元件相对运动。该裂纹熔合装置利用等离子体射流的热熔合作用消除光学元件的亚表面的裂纹，避免引入新的微裂纹损伤，裂纹消除效率高。本发明提供的裂纹消除方法通过改变局部材料的重新分配，实现元件亚表面微裂纹的高低互补填充，裂纹消除效率高。

Description

裂纹熔合装置及其方法

技术领域

本发明涉及光学加工技术领域，具体而言，涉及一种裂纹熔合装置及其方法。

背景技术

熔石英材料在紫外波段以其优良的透射性、化学稳定性、均匀性和耐高温辐射等光学特性，成为高功率激光系统中广泛应用的光学材料。但同时由于熔石英材料的高硬度和高脆性特点，在光学元件磨削成形加工过程中不可避免地在表面和亚表面产生微裂纹损伤。光学元件冷加工残留的亚表面微裂纹损伤，一方面会使光学元件的机械强度降低，并且元件使用过程中由于强激光的辐照作用会引起微裂纹增长；另一方面，亚表面微裂纹会使加工过程中的杂质或抛光颗粒嵌入工件，从而增强微裂纹局部的光场、电场调制和热吸收，这些作用会使元件的损伤阈值降低，最终导致光学元件的物理破坏。亚表面损伤严重降低了强激光系统中光学元件的性能和使用寿命，因此，去除亚表面损伤对提高大口径熔石英光学元件的使用性能和周期具有重要意义。

目前，亚表面裂纹损伤一般采用传统的抛光方法来进行迭代加工去除，通过逐渐减小加工过程中抛光颗粒的压力和去除效率，并对影响亚表面损伤的各项因素，如抛光模材料、抛光颗粒、抛光液等方面进行改进达到减少和去除亚表面微裂纹损伤的目的。由于抛光加工的塑性去除机理，导致抛光过程中材料去除率非常低，使光学元件的加工成本和周期无法满足强激光系统发展的要求。

有鉴于此，设计制造出一种裂纹熔合装置，能克服目前大口径熔石英光学元件亚表面损伤裂纹去除过程效率低、成本高及加工周期长的问题，是目前光学加工技术领域中急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种裂纹熔合装置，不仅适用于大口径熔石英光学元件亚表面微裂纹的消除，也可以用于其他材料的光学元件的表面及亚表面微裂纹的消除，能够产生等离子体射流，通过控制等离子体射流的激发能量、等离子体射流与光学元件的相对运动，利用等离子体射流的热熔合作用消除光学元件的亚表面的裂纹。该裂纹熔合装置结构简单、操控方便，裂纹消除快速高效。

本发明的目的还在于提供一种裂纹熔合方法，利用等离子体发生器产生的等离子体射流的热熔作用来改变局部材料的重新分配，使光学元件亚表面微裂纹的高低互补填充，最终通过微裂纹的熔合实现亚表面微裂纹的快速消除。

本发明解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。

本发明提供的一种裂纹熔合装置，用于消除光学元件表面及亚表面的裂纹，所述裂纹熔合装置包括电源、功率匹配器、等离子体发生器、冷却装置、氩气气源、加工机床和数控系统。

所述电源与所述等离子体发生器电连接，所述电源与所述等离子体发生器之间串联有所述功率匹配器，所述氩气气源与所述等离子体发生器连接，为所述等离子体发生器提供气体，所述等离子体发生器用于产生等离子体射流。

所述等离子体发生器与所述加工机床固定连接，所述数控系统包括第一控制系统和第二控制系统，所述第一控制系统与所述等离子体发生器连接，用于控制所述等离子体射流的能量以及监控所述等离子体发生器的工作状态，所述第二控制系统与所述加工机床连接，用于控制所述等离子体射流与所述光学元件相对运动。利用所述等离子体射流的热熔合作用消除所述光学元件的亚表面的裂纹。所述冷却装置分别与所述电源和所述等离子体发生器连接，用于冷却所述电源和所述等离子体发生器。

进一步地，所述氩气气源与所述等离子体发生器之间设有质量流量计，所述质量流量计用于测量所述氩气的质量流量。

进一步地，所述氩气气源与所述等离子体发生器之间设有质量流量控制器，所述质量流量控制器用于控制所述氩气的质量流量。

进一步地，所述氩气气源包括氩气瓶和减压阀，所述氩气瓶用于存储所述氩气；所述减压阀设于所述氩气瓶的气体出口处，用于调节所述氩气的压力。

进一步地，所述电源采用频率为13.56MHz的射频电源，或采用2.45GHz的微波电源。

进一步地，所述等离子体发生器包括电感耦合式等离子体放电或电容耦合式介质阻挡放电。

本发明提供的一种裂纹熔合方法，采用了上述的裂纹熔合装置，步骤如下：

开启所述电源、所述加工机床、质量流量控制器和所述冷却装置。

打开氩气瓶和减压阀，并通过所述质量流量控制器调节等离子体气体的流量。

所述等离子体发生器的放电区域内通入氩气后，逐步增加所述电源的功率，同时调节所述功率匹配器使其反射功率为零，以形成等离子体射流。

将所述光学元件置于所述等离子体射流处，根据所述光学元件的亚表面的裂纹的深度，所述第一控制系统调节所述等离子体发生器的加载功率和所述等离子体气体的流量，所述第二控制系统调节所述光学元件与所述等离子体射流的相对运动速度、并所述等离子体射流对所述光学元件进行扫描。

关闭所述电源、所述氩气瓶、所述质量流量控制器和所述冷却装置；取出所述光学元件。

进一步地，所述氩气瓶中的气体浓度为99.999％，控制所述氩气的流量范围为每分钟2L至每分钟20L。

进一步地，调节所述功率匹配器，使所述等离子体发生器的功率达到100W至3000W。

进一步地，所述光学元件与所述等离子体射流的相对运动速度为0.5mm/s至20mm/s。

本发明提供的裂纹熔合装置及其方法具有以下几个方面的有益效果：

本发明提供的裂纹熔合装置，包括电源、功率匹配器、等离子体发生器、冷却装置、氩气气源、加工机床和数控系统。通过将功率匹配器串联在电源和等离子体发生器之间，用于控制等离子体发生器的功率，等离子体发生器用于产生等离子体射流，氩气气源用于为等离子体发生器提供气源。冷却装置用于冷却电源和等离子体发生器，光学元件置于等离子体射流处，数控系统用于控制等离子体射流的能量、并控制等离子体射流与光学元件的相对运动，利用等离子体射流的热熔合作用消除光学元件的亚表面的裂纹。该裂纹熔合装置结构简单、操控方便，裂纹消除快速高效。

本发明提供的裂纹熔合方法，采用了上述的裂纹熔合装置，利用等离子体发生器产生的等离子体射流的热熔作用来改变光学元件局部材料的重新分配，使光学元件亚表面微裂纹的高低互补填充，最终通过微裂纹的熔合实现亚表面微裂纹的快速消除。该裂纹熔合方法采用非接触式方法，避免了在加工过程中引入新的微裂纹损伤，消除裂纹快速有效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明具体实施例提供的裂纹熔合装置的组成框图；

图2为本发明具体实施例提供的裂纹熔合装置的结构示意图；

图3为本发明具体实施例提供的裂纹熔合装置的冷却装置的结构示意图；

图4为本发明具体实施例提供的裂纹熔合方法的流程示意图图。

图标：100-裂纹熔合装置；110-电源；120-功率匹配器；130-等离子体发生器；131-等离子体射流；140-氩气气源；141-氩气瓶；142-减压阀；143-质量流量计；144-质量流量控制器；145-管线；150-冷却装置；151-第一冷却水管；152-第二冷却水管；160-光学元件；170-加工机床；181-第一控制系统；183-第二控制系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的“第一”、“第二”等，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明具体实施例提供的裂纹熔合装置100的组成框图，图2为本发明具体实施例提供的裂纹熔合装置100的结构示意图，请参照图1和图2。

本实施例提供的一种裂纹熔合装置100，用于消除光学元件160亚表面的裂纹，裂纹熔合装置100包括电源110、功率匹配器120、等离子体发生器130、冷却装置150、氩气气源140、加工机床170和数控系统。电源110与等离子体发生器130电连接，电源110与等离子体发生器130之间串联有功率匹配器120，氩气气源140与等离子体发生器130连接，为等离子体发生器130提供气体，等离子体发生器130用于产生等离子体射流131。等离子体发生器130与加工机床170固定连接，数控系统包括第一控制系统181和第二控制系统183，第一控制系统181与等离子体发生器130连接，用于控制等离子体射流131的激发能量、监控等离子体发生器130的工作状态、以及等离子体放电状态异常保护等。第二控制系统183与加工机床170连接，用于控制等离子体射流131与光学元件160相对运动。利用等离子体射流131的热熔合作用消除光学元件160的亚表面的裂纹。冷却装置150分别与电源110和等离子体发生器130连接，用于冷却电源110和等离子体发生器130。

氩气气源140包括氩气瓶141和减压阀142，氩气瓶141用于存储氩气。减压阀142设于氩气瓶141的气体出口处，用于调节氩气的压力。氩气气源140与等离子体发生器130之间设有质量流量计143和质量流量控制器144，质量流量计143用于测量氩气的质量流量，质量流量控制器144用于控制氩气的质量流量。

电源110采用高频电源110。可选地，电源110采用频率为13.56MHz的射频电源110，或采用2.45GHz的微波电源110。等离子体发生器130包括电感耦合式等离子体放电或电容耦合式介质阻挡放电。

具体地，高频电源110的正极、负极经功率匹配器120的阻抗匹配后分别与等离子体发生器130的阳极、阴极相连，为等离子体激发提供能量。氩气瓶141的出口通过管线145与等离子体发生器130连接，减压阀142、质量流量控制器144和质量流量计143均设置在管线145上。

图3为本发明具体实施例提供的裂纹熔合装置100的冷却装置150的结构示意图，请参照图3。

冷却装置150与高频电源110的冷却水进出口串联形成一条冷却回路，第一冷却水管151用作冷却液的循环；冷却装置150与等离子体发生器130的冷却水进出口串联形成另一条冷却回路，第二冷却水管152用作冷却液的循环。冷却装置150分别对高频电源110和等离子体发生器130进行冷却。等离子体发生器130固定于等离子体加工机床170中，通过高频电源110施加电场激发通入等离子体发生器130中的气体、以产生等离子体射流131，等离子体射流131作用于光学元件160表面，第一控制系统181与等离子体发生器130连接，用于控制等离子体射流131的能量、对等离子体发生器130的工作状态监控，以及等离子体放电状态异常保护；第二控制系统183与加工机床170连接，控制等离子体射流131与光学元件160相对运动，利用等离子体射流131的热熔合作用最终实现光学元件160亚表面微裂纹的消除。

图4为本发明具体实施例提供的裂纹熔合方法的流程示意图图，请参照图4。

本发明提供的一种裂纹熔合方法，采用了上述的裂纹熔合装置100，步骤如下：

S1：开启电源110、加工机床170和质量流量控制器144。

S2：开启冷却装置150。使高频电源110和等离子体发生器130的冷却模块分别通入循环冷却水。

S3：打开氩气瓶141和减压阀142。并通过质量流量控制器144调节等离子体气体的流量。作为优选，氩气瓶141中的气体浓度为99.999％，控制氩气的流量范围为每分钟2L至每分钟20L。

S4：增加电源110功率并调节功率匹配器120。等离子体发生器130的放电区域内通入氩气后，逐步增加电源110的功率，同时调节功率匹配器120使其反射功率为零，以形成等离子体射流131。作为优选，调节功率匹配器120，使等离子体发生器130的功率达到800W至2000W。

S5：等离子体射流131对光学元件160进行扫描。将光学元件160置于等离子体射流131处，根据光学元件160的亚表面的裂纹的深度，第一控制系统181调节等离子体发生器130的加载功率、调节等离子体气体的流量以及控制等离子体射流131的激发能量；第二控制系统183调节光学元件160与等离子体射流131的相对运动速度、并使等离子体射流131对光学元件160进行全面扫描。作为优选，光学元件160与等离子体射流131的相对运动速度为0.5mm/s至20mm/s。有效利用了氩气等离子体射流131在激发过程中产生的热量，通过等离子体射流131的温度效应对熔石英光学元件160基体的均匀加热作用，使光学元件160表面局部温度升高到石英玻璃的软化点1900K，光学元件160局部产生的热熔合作用，进而利用熔石英元件表面局部玻璃粘性的增加、表面张力及内应力使表面材料在不发生去除的情况下局部重新分配，实现元件亚表面微裂纹的高低互补填充，最终通过微裂纹的熔合达到快速消除亚表面微裂纹的目的。

S6：关闭电源110、氩气瓶141、质量流量控制器144和冷却装置150。

S7：取出光学元件160。完成大口径熔石英光学元件160亚表面微裂纹的消除。

综上，本发明提供的微裂纹熔合装置100及其方法具有以下几个方面的有益效果：

本发明提供的裂纹熔合装置100及其方法，采用全新的思路和方法，提出了一种消除大口径熔石英光学元件160亚表面微裂纹的新方法，利用等离子体射流131的热熔作用来改变光学元件160局部材料的重新分配，实现光学元件160亚表面微裂纹的高低互补填充，最终通过微裂纹的熔合达到快速消除亚表面微裂纹的目的。该裂纹熔合装置100采用非接触的作用方式，避免在加工过程中引入新的微裂纹损伤。等离子体射流131的能量可以通过加工参数调节控制，提高表面及亚表面微裂纹的熔合消除效率；而且，等离子体射流131的熔合作用深度可以根据光学元件160的表面及亚表面裂纹深度来调节，通过数控系统调节以适应不同微裂纹的深度的熔合消除。该裂纹熔合方法可以用于各类材料、各类形状的光学元件的表面及亚表面的裂纹熔合，操控简单，微裂纹消除快速有效，具有极大的推广应用价值。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改、组合和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种裂纹熔合装置，用于消除光学元件表面及亚表面的裂纹，其特征在于，所述裂纹熔合装置包括电源、功率匹配器、等离子体发生器、冷却装置、氩气气源、加工机床和数控系统；

所述电源与所述等离子体发生器电连接，所述电源与所述等离子体发生器之间串联有所述功率匹配器，所述氩气气源与所述等离子体发生器连接，为所述等离子体发生器提供气体，所述等离子体发生器用于产生等离子体射流；

所述等离子体发生器与所述加工机床固定连接，所述数控系统包括第一控制系统和第二控制系统，所述第一控制系统与所述等离子体发生器连接，用于控制所述等离子体射流的能量以及监控所述等离子体发生器的工作状态，所述第二控制系统与所述加工机床连接，用于控制所述等离子体射流与所述光学元件相对运动；利用所述等离子体射流的热熔合作用消除所述光学元件的亚表面的裂纹；所述冷却装置分别与所述电源和所述等离子体发生器连接，用于冷却所述电源和所述等离子体发生器。

2.根据权利要求1所述的裂纹熔合装置，其特征在于，所述氩气气源与所述等离子体发生器之间设有质量流量计，所述质量流量计用于测量所述氩气的质量流量。

3.根据权利要求1所述的裂纹熔合装置，其特征在于，所述氩气气源与所述等离子体发生器之间设有质量流量控制器，所述质量流量控制器用于控制所述氩气的质量流量。

4.根据权利要求1所述的裂纹熔合装置，其特征在于，所述氩气气源包括氩气瓶和减压阀，所述氩气瓶用于存储所述氩气；所述减压阀设于所述氩气瓶的气体出口处，用于调节所述氩气的压力。

5.根据权利要求1所述的裂纹熔合装置，其特征在于，所述电源采用频率为13.56MHz的射频电源，或采用2.45GHz的微波电源。

6.根据权利要求1所述的裂纹熔合装置，其特征在于，所述等离子体发生器包括电感耦合式等离子体放电或电容耦合式介质阻挡放电。

7.一种裂纹熔合方法，其特征在于，采用了权利要求1至6中任一项所述的裂纹熔合装置，步骤如下：

开启所述电源、所述加工机床、质量流量控制器和所述冷却装置；

打开氩气瓶和减压阀，并通过所述质量流量控制器调节等离子体气体的流量；

所述等离子体发生器的放电区域内通入氩气后，逐步增加所述电源的功率，同时调节所述功率匹配器使其反射功率为零，以形成等离子体射流；

将所述光学元件置于所述等离子体射流处，根据所述光学元件的亚表面的裂纹的深度，所述第一控制系统调节所述等离子体发生器的加载功率和所述等离子体气体的流量，所述第二控制系统调节所述光学元件与所述等离子体射流的相对运动速度、并使所述等离子体射流对所述光学元件进行扫描；

关闭所述电源、所述氩气瓶、所述质量流量控制器和所述冷却装置；取出所述光学元件。

8.根据权利要求7所述的裂纹熔合方法，其特征在于，所述氩气瓶中的气体浓度为99.999％，控制所述氩气的流量范围为每分钟2L至每分钟20L。

9.根据权利要求7所述的裂纹熔合方法，其特征在于，调节所述功率匹配器，使所述等离子体发生器的功率达到100W至3000W。

10.根据权利要求7所述的裂纹熔合方法，其特征在于，所述光学元件与所述等离子体射流的相对运动速度为0.5mm/s至20mm/s。