CN110434470B - 一种大幅面透明曲面零件减反功能微纳结构加工方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大幅面透明曲面零件微纳结构加工方法及系统，解决了大幅面曲面零件表面减反微纳结构精度低、一致性差的问题，加工时，首先建立工艺数据库，确认激光功率对材料基底造成热效应损伤激光损伤阈值W₀；其次依次完成测量激光加工系统的后工作距离L1、工件定位安装、透射式精准对焦、设定激光各激光加工参量，进行透射式加工。在加工过程中，可以实现激光自动对焦并实时在线检测加工过程中激光功率的浮动，还可实时监测加工光束的指向偏离，实时校正加工光束指向。对于非球透明介质内表面需要进行功能微纳结构制造时，本发明加工方式与传统从内表面直接加工的方式相比较，具有简易、精度高、效率高等优点。

Description

一种大幅面透明曲面零件减反功能微纳结构加工方法及系统

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种大幅面透明曲面零件微纳结构加工方法及系统。

背景技术

我国航空航天、汽车领域存在大量大幅面透明曲面构件，作为航天飞行器、飞机、导弹的保护窗口（譬如整流罩、保护窗口等等），起到密封及内部光路保护的作用。这类构件为了配合整体系统的某些功能需求，需要在其内部表面刻蚀各类功能结构，例如实现频率选择、增透减反等，但此类零件加工存在材料特殊难加工（尖晶石、蓝宝石、硫化锌）、幅面大、面型特殊（均为不可展开的非球面）、加工精度要求高（微米量级）。目前，针对大幅面透明曲面构件的加工方法，由于材料属于硬脆材料机械加工无法实现无损伤加工，而传统的光刻、压印、反应离子刻蚀由于涉及到涂胶、掩膜板、曝光等技术，均不能在曲面上进行制备。飞秒激光由于具有柔性、非接触式冷加工的技术优势，成为在这类材料上进行功能结构制备的最优选择。但是目前国内外在飞秒激光减反功能微纳结构的加工方面，还局限于在片面衬底材料上制备，用于研究飞秒激光与材料的相互作用、减反微纳结构的成形成性机理。有关大曲率表面减反阵列微纳结构的研究、制备还鲜有报道，且一般在构件外表面进行激光加工，造成激光加工头与构件机械干涉问题，使得一些特殊位置不能进行加工，如图2。

发明内容

本发明通过剖析大幅面曲面零件表面减反微纳结构精度低、一致性差的原因，针对构件面积及曲率较大、且焦距受限的问题造成激光加工头与构件机械干涉，造成挡光或者激光无法法向入射至加工表面从而无法进行加工或者加工质量下降等问题，提供一种大幅面透明曲面零件减反功能微纳结构加工方法及系统，采用透射式加工方法，此方法具有简易、精度高、效率高等优点。

本发明通过大量正交性试验剖析大幅面曲面零件表面减反微纳结构精度低、一致性差的影响因素，将激光参量（功率、重频、激光光束指向、对焦精度）等做为变量，通过在平面衬底上大量阵列减反微纳结构，激光的对焦精度、光束指向是影响其一致性的最根本原因。

因此，针对上述目的，提出以下技术解决方案：

一种大幅面透明曲面零件微纳结构加工方法，包括以下步骤：

S1：建立工艺数据库；

通过正交试验建立构件内表面刻蚀且不造成材料基底损伤的工艺数据库；获得激光功率对材料基底造成热效应损伤激光损伤阈值W₀；

S2：测量激光加工系统的后工作距离L1；

S3：工件定位安装；

采用机械加工平台上的卡状夹具对工件进行定位安装；

S4：透射式精准对焦；

将构件内表面与激光加工头的距离调整为L1；

S5：设定激光各激光加工参量，进行透射式加工；

a、在加工过程中，将构件内表面与激光加工头的距离实时控制为L1；测量被加工点与激光加工头间的距离L2，然后与参考距离L1进行比较，并将比较偏差△反馈给激光加工系统的控制器，通过控制器调节激光加工头的位置补偿该偏差（激光加工头搭载于运动Z轴上，自动对焦系统将该偏差反馈至运动平台控制器，通过调节Z轴从而实现调节工作表面与激光加工头间的距离为L1）；实现激光自动对焦；

b、利用功率计实时在线检测加工过程中激光功率的浮动，利用功率在线校正模块调节加工过程中的激光功率；所述功率在线校正模块包括两块平行设置的平行平板、各自的电机及控制系统；

当加工过程中的激光功率大于激光损伤阈值W₀时，将信号反馈至功率在线校正模块的控制系统，控制系统通过控制两块平行平板的电机，在设定范围内微动调节调整平行平板角度，实现加工过程中的激光功率调节；功率计实时检测被调整后的功率是否在激光损伤阈值W₀内，如果在其范围内则停止平行平板的角度调整，如不满足，则继续微调，直至功率满足其损伤阈值要求；

c、在加工过程中，实时监测加工光束的指向偏离，实时校正加工光束指向。

进一步地，在0-1.7°范围内微动调节调整平行平板角度，使得加工过程中的激光功率在0-2W范围内变动。

进一步地，步骤S2中采用与激光加工头同轴安装的自动对焦系统测量激光加工系统的后工作距离L1；步骤S4中采用自动对焦系统自动将构件内表面与激光加工头的距离调整为L1；步骤S5中采用自动对焦系统测量被加工点与激光加工头间的距离L2。

进一步地，上述自动对焦系统为基于锥光全息或三角法、精度为个微米级别的测距传感器。

进一步地，步骤S5中c具体为：

S5C1：分光；

采用分光元件，将从功率在线检测模块出射的激光光束分出2%；

S5C2：获取激光光束指向的偏移量；

分出的2%的光束经聚焦物镜聚焦至PSD/CCD探测器上，当PSD/CCD探测器上获取的光斑有偏移，根据公式计算激光光束指向的偏移角度θ；Y=F×tanθ，其中F是该聚焦物镜的焦距，Y为偏移量；

S5C3：将此偏移角度反馈至振镜，通过振镜的调节，补偿该激光的指向偏移量。

进一步地，上述分光元件为分光镜。

本发明还提供一种实现上述加工方法的加工系统，包括激光光源、振镜系统与主控制器，其特殊之处在于：还包括与激光加工头同轴设置的自动对焦系统、依次位于激光出射光路中的功率在线校正模块、功率在线检测模块及第二分光镜；第二分光镜的反射光路中依次设置聚焦物镜及PSD/CCD探测器；第二分光镜的透射光路中依次设置反射镜、振镜及聚焦场镜；

所述主控制器中存储加工程序，加工程序在处理器中运行时，实现下述过程：

步骤一：控制自动对焦系统测量激光加工系统的后工作距离L1；

步骤二：控制自动对焦系统将构件内表面与激光加工头的距离调整为L1；

步骤三：设定激光加工参数，开启激光进行实际加工；

设定激光各激光加工参量，进行透射式加工；

3a、在加工过程中，将构件内表面与激光加工头的距离实时控制为L1；控制自动对焦系统测量被加工点与激光加工头间的距离L2，然后与参考距离L1进行比较，获得偏差，激光加工系统的主控制器调节激光加工头与被加工点的距离，实现激光自动对焦；

3b、在加工过程中，功率在线检测模块在线检测激光功率的浮动，如若激光功率小于激光损伤阈值W₀，则正常加工，若不满足，控制功率在线校正模块，调节激光功率至激光损伤阈值范围之内进行加工；

3c、在加工过程中，实时监测加工光束的指向偏离，实时校正加工光束指向；

3c01、控制PSD/CCD探测器采集分出的2%的光束，当PSD/CCD探测器上获取的光斑有偏移，根据公式计算激光光束指向的偏移角度θ；Y=F×tanθ，其中F是该聚焦物镜的焦距，Y为偏移量；

3c02：将此偏移角度反馈至振镜，通过振镜的调节，补偿该激光的指向偏移量。

进一步地，所述功率在线校正模块包括控制系统、两块平行设置的平行平板及分别与两块平行平板连接的两个电机，两块平行平板能够通过各自的电机控制实现角度调整；

所述功率在线检测模块包括第一分光镜、聚焦镜及功率计，所述第一分光镜位于功率在线校正模块的出射光路中，聚焦镜及功率计依次位于第一分光镜的一路出射光路中，第二分光镜位于第一分光镜的另一路出射光路中；

步骤3b具体为：

在加工过程中，功率计实时采集加工过程中的激光功率，当激光功率大于激光损伤阈值W₀，将信号反馈至功率在线校正模块的控制系统，控制系统通过控制两块平行平板的电机，在0-1.7°范围内微动调节调整平行平板角度，使得加工过程中的激光功率在0-2W范围内变动，实现激光功率调节；功率计实时检测被调整后的功率是否在激光损伤阈值W₀内，如果在其范围内则停止平行平板的角度调整，如不满足，则继续微调，直至功率满足其损伤阈值要求。

本发明的有益效果是：

1、对于非球透明介质内表面需要进行功能微纳结构制造时，本发明采用透射式加工方式，透射式（透过外表面聚焦于内表面）加工方式与传统从内表面直接加工的方式相比较，解决了其装夹固定困难、机械干涉的问题。

2、本发明通过正交性试验得出激光的指向、对焦精度是影响微纳制造精度的关键，通过在加工过程中对激光的指向、焦点等进行在线检测与校正，提高了非球表面、大幅面微纳结构制造的精度、一致性。

3、本发明能够在不需调节激光光源功率的前提下，在线实时调整加工过程中的激光功率，且调整过程简单方便，确保整个加工过程中以恒定的功率精度进行加工。

4、本发明光束指向校正精度≤3um，可广泛应用于我国航空航天、汽车、3C、光电子、模具等领域的激光精细表面制造、制孔、精细切割方面。

附图说明

图1为本发明加工方法流程图；

图2为现有技术中加工曲面构件的示意图；

图3为本发明加工曲面构件的示意图；

图4a为本发明激光功率在线校正模块示意图（激光满功率输出）；

图4b为本发明激光功率在线校正模块示意图（降低激光功率）；

图5a为激光光束指向平行偏移情况；

图5b为激光光束指向角度偏移情况；

图6为本发明加工系统机构示意图。

图中附图标记为：1-功率在线校正模块，2-功率在线检测模块，3-自动对焦系统，4-第二分光镜，5-聚焦物镜，6-PSD/CCD探测器，7-聚焦场镜；

21-第一分光镜，22-聚焦镜，23-功率计；

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

S1：建立工艺数据库：

通过大量正交性试验剖析大幅面曲面零件表面减反微纳结构精度低、一致性差的影响因素，将激光参量（功率、重频、激光光束指向、对焦精度）等做为变量，通过在平面衬底上大量阵列减反微纳结构，激光的对焦精度、光束指向是影响其一致性的最根本原因。

此外，由于需解决构件面积及曲率较大、且焦距受限的问题造成激光加工头与构件机械干涉，造成挡光或者激光无法法向入射至加工表面从而无法进行加工或者加工质量下降（如图2所示）的问题，本发明创新性的提出一种透射式加工的方式（如图3所示），可解决机械干涉、装夹困难的问题。通过激光透射式加工的工艺试验，发现功率的稳定性及功率损伤阈值尤为重要，如若把握不当会造成基底材质损伤（能量过大），因此必须建立构件内表面刻蚀且不造成材料基底损伤的工艺数据库。经过多次反复试验，获得激光功率对材料基底造成热效应损伤的值W₀；

S2：安装同轴高精度自动对焦系统

由于依照前期工艺试验，对焦精度需要在微米级别，通过大量调研国内外现有的对焦系统，本实施例最终确定选择一款基于锥光全息检测领域的实现精准调焦，检测精度在2um；采用自动对焦模块测量系统测量激光加工系统的后工作距离L1；

S3：工件定位安装

采用机械加工平台上的卡状夹具对工件进行定位安装；

S4：透射式精准对焦

由高精度自动对焦系统自动将构件内表面与激光加工头的距离调整为L1，实现激光透射式对焦；

S5：设定激光加工参数，开启激光进行实际加工；

设定激光各激光加工参量，包括激光功率、重频等，进行透射式加工；

在加工过程中，由自动对焦系统将构件表面2与激光加工头的距离实时控制为L1；在加工过程中，采用自动对焦系统测量被加工点与激光加工头间的距离L2，然后与参考距离L1进行比较，并将比较偏差△反馈给运动控制器，通过控制器补偿该偏差。从而实现激光自动对焦。

在加工过程中，利用功率检测装置在线检测激光功率的浮动如若激光功率＜激光损伤阈值W₀，则正常加工，若不满足，激光功率在线监测与校正模块反馈信号至功率调节模块，通过微动调整两块平行平板的角度，将功率在线调整至激光损伤阈值范围之内。

其具体原理为：激光加工光路里布局两块平行平板，两个平行平板可以由各自的电机控制实现角度的调整，通过这两块平行平板角度的调整，可以改变能够进入激光加工光路的激光能量。当两块平行平板空间姿态如图4a所示，则激光光路的功率为满功率输出，当两块平行平板的空间位姿发生调整如图4b所示，则有一部光线溢出，没有发生全反射，所以进入激光光路的功率降低。

平行平板在功率稳定期间的放置角度为45°，首先依据长期的使用经验，目前常用的激光器的功率稳定性指标在10%，即，在加工过程中功率的超出范围最大为（W₀-10%W₀，W₀+10%W₀），因此平行平板的调整角度主要考虑（0-10%W₀）这一范围内功率值与平行平板的对应关系。该对应关系应根据不同的激光器功率值来进行具体试验得出，以目前本单位使用的20W激光器为例，0-2W这一范围的功率值，需要平行平板在0-1.7°范围内进行调整。

在加工过程中，同时实时监测加工光束的指向偏离，实时校正加工光束指向，由于激光如产生平行偏移（图5a），则经过场镜的聚焦后不会对激光终端的指向产生影响，只有当激光产生角度偏移（图5b），会对场镜聚焦后的指向产生偏移，因此针对此问题，本实施例采用分光镜分2%光束，经聚焦物镜聚焦至PSD/CCD上，当PSD/CCD探测器上获取的光斑有偏移，即说明光束产生角度偏移，根据公式计算偏移量Y=F×tanθ,其中F是该聚焦物镜的焦距，θ为激光光束指向的偏移角度。将此偏移角度反馈至振镜，通过振镜的调节，补偿该激光的指向偏移量。

从图6可以看出，本发明加工系统主要包括激光光源、振镜系统与主控制器，还包括与激光加工头同轴设置的自动对焦系统3、依次位于激光出射光路中的功率在线校正模块1、功率在线检测模块2、第二分光镜4及分别位于第二分光镜4两路出射光路中的聚焦物镜、PSD/CCD探测器6及反射镜、振镜及聚焦场镜；

主控制器中存储加工程序，加工程序在处理器中运行时，实现下述加工过程：

步骤一：控制自动对焦系统测量激光加工系统的后工作距离L1；

步骤二：控制自动对焦系统将构件内表面与激光加工头的距离调整为L1；

步骤三：设定激光加工参数，开启激光进行实际加工；

设定激光各激光加工参量，进行透射式加工；

3a、在加工过程中，将构件内表面与激光加工头的距离实时控制为L1；控制自动对焦系统测量被加工点与激光加工头间的距离L2，然后与参考距离L1进行比较，获得偏差，激光加工系统的主控制器调节激光加工头与被加工点的距离，实现激光自动对焦；

3b、功率在线校正模块包括控制系统、两块平行设置的平行平板及分别与两块平行平板连接的两个电机，两块平行平板能够通过各自的电机控制实现角度调整；所述功率在线检测模块包括第一分光镜21、聚焦镜22及功率计23，所述第一分光镜位于功率在线校正模块的出射光路中，聚焦镜22及功率计23依次位于第一分光镜21的一路出射光路中，第二分光镜4位于第一分光镜21的另一路出射光路中。

在加工过程中，功率计实时采集加工过程中的激光功率，当激光功率大于激光损伤阈值W₀，将信号反馈至功率在线校正模块的控制系统，控制系统通过控制两块平行平板的电机，微动调节调整平行平板角度，实现激光功率调节；功率计实时检测被调整后的功率是否在激光损伤阈值W₀内，如果在其范围内则停止平行平板的角度调整，如不满足，则继续微调，直至功率满足其损伤阈值要求。

3c、在加工过程中，实时监测加工光束的指向偏离，实时校正加工光束指向；

3c01、控制PSD/CCD探测器采集分出的2%的光束，当PSD/CCD探测器上获取的光斑有偏移，根据公式计算激光光束指向的偏移角度θ；Y=F×tanθ，其中F是该聚焦物镜的焦距，Y为偏移量；

3c02：将此偏移角度反馈至振镜，通过振镜的调节，补偿该激光的指向偏移量。

Claims (8)

1.一种大幅面透明曲面零件微纳结构加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立工艺数据库；

通过正交试验建立利用激光刻蚀构件内表面且不造成材料基底损伤的工艺数据库；获得激光功率对材料基底造成热效应损伤激光损伤阈值W₀；

S2：测量激光加工系统的后工作距离L1；

S3：工件定位安装；

采用机械加工平台上的卡状夹具对工件进行定位安装；

S4：透射式精准对焦；

将构件内表面被加工点与激光加工头的距离调整为L1；

S5：设定激光加工参数，开启激光进行透射式加工；

a、实时测量被加工点与激光加工头间的距离，然后与L1进行比较，并根据比较偏差△调节激光加工头的位置，实现激光自动对焦；

b、实时在线检测及调节加工过程中激光功率；

利用功率计实时在线检测加工过程中激光功率的浮动，利用功率在线校正模块调节加工过程中的激光功率；所述功率在线校正模块包括两块平行设置的平行平板、各自的电机及控制系统；

当加工过程中的激光功率大于激光损伤阈值W₀时，将信号反馈至功率在线校正模块的控制系统，控制系统通过控制两块平行平板的电机，在设定范围内微动调节调整平行平板角度，实现加工过程中的激光功率调节；功率计实时检测被调整后的功率是否在激光损伤阈值W₀内，如果在其范围内则停止平行平板的角度调整，如不满足，则继续微调，直至功率满足其损伤阈值要求；

c、实时监测加工光束的指向偏离，实时校正加工光束指向。

2.根据权利要求1所述的一种大幅面透明曲面零件微纳结构加工方法，其特征在于：在0-1.7°范围内微动调节调整平行平板角度，使得加工过程中的激光功率在0-2W范围内变动。

3.根据权利要求2所述的一种大幅面透明曲面零件微纳结构加工方法，其特征在于：步骤S2中采用与激光加工头同轴安装的自动对焦系统测量激光加工系统的后工作距离L1；步骤S4中采用自动对焦系统自动将构件内表面与激光加工头的距离调整为L1；步骤S5中采用自动对焦系统测量被加工点与激光加工头间的距离L2。

4.根据权利要求3所述的一种大幅面透明曲面零件微纳结构加工方法，其特征在于：所述自动对焦系统为基于锥光全息或三角法、精度为个微米级别的测距传感器。

5.根据权利要求4所述的一种大幅面透明曲面零件微纳结构加工方法，其特征在于：

步骤S5中c具体为：

S5C1：分光；

采用分光元件，将从功率在线检测模块出射的激光光束分出2%；

S5C2：获取激光光束指向的偏移量；

分出的2%的光束经聚焦物镜聚焦至PSD/CCD探测器上，当PSD/CCD探测器上获取的光斑有偏移，根据公式计算激光光束指向的偏移角度θ；Y=F×tanθ，其中F是该聚焦物镜的焦距，Y为偏移量；

S5C3：将此偏移角度反馈至振镜，通过振镜的调节，补偿该激光的指向偏移量。

6.根据权利要求5所述的一种大幅面透明曲面零件微纳结构加工方法，其特征在于：所述分光元件为分光镜。

7.一种实现权利要求1-6任一所述加工方法的加工系统，包括激光光源、振镜系统与主控制器，其特征在于：还包括与激光加工头同轴设置的自动对焦系统（3）、依次位于激光出射光路中的功率在线校正模块（1）、功率在线检测模块（2）及第二分光镜（4）；第二分光镜（4）的反射光路中依次设置聚焦物镜及PSD/CCD探测器（6）；第二分光镜（4）的透射光路中依次设置反射镜、振镜及聚焦场镜（7）；

所述主控制器中存储加工程序，加工程序在处理器中运行时，实现下述过程：

步骤一：控制自动对焦系统测量激光加工系统的后工作距离L1；

步骤二：控制自动对焦系统将构件内表面与激光加工头的距离调整为L1；

步骤三：设定激光加工参数，开启激光进行实际加工；

设定激光各激光加工参量，进行透射式加工；

3a、在加工过程中，将构件内表面与激光加工头的距离实时控制为L1；控制自动对焦系统测量被加工点与激光加工头间的距离L2，然后与参考距离L1进行比较，获得偏差，激光加工系统的主控制器调节激光加工头与被加工点的距离，实现激光自动对焦；

3b、在加工过程中，功率在线检测模块在线检测激光功率的浮动，如若激光功率小于激光损伤阈值W₀，则正常加工，若不满足，控制功率在线校正模块，调节激光功率至激光损伤阈值范围之内进行加工；

3c、在加工过程中，实时监测加工光束的指向偏离，实时校正加工光束指向；

3c01、控制PSD/CCD探测器采集分出的2%的光束，当PSD/CCD探测器上获取的光斑有偏移，根据公式计算激光光束指向的偏移角度θ；Y=F×tanθ，其中F是聚焦物镜的焦距，Y为偏移量；

3c02：将此偏移角度反馈至振镜，通过振镜的调节，补偿该激光的指向偏移量。

8.根据权利要求7所述的加工系统，其特征在于：

所述功率在线校正模块（1）包括控制系统、两块平行设置的平行平板及分别与两块平行平板连接的两个电机，两块平行平板能够通过各自的电机控制实现角度调整；

所述功率在线检测模块（2）包括第一分光镜（21）、聚焦镜（22）及功率计（23），所述第一分光镜（21）位于功率在线校正模块的出射光路中，聚焦镜（22）及功率计（23）依次位于第一分光镜（21）的一路出射光路中，第二分光镜（4）位于第一分光镜（21）的另一路出射光路中；

步骤3b具体为：

在加工过程中，功率计实时采集加工过程中的激光功率，当激光功率大于激光损伤阈值W₀，将信号反馈至功率在线校正模块的控制系统，控制系统通过控制两块平行平板的电机，在0-1.7°范围内微动调节调整平行平板角度，使得加工过程中的激光功率在0-2W范围内变动，实现激光功率调节；功率计实时检测被调整后的功率是否在激光损伤阈值W₀内，如果在其范围内则停止平行平板的角度调整，如不满足，则继续微调，直至功率满足其损伤阈值要求。

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