CN111318808A - 米级大口径光学元件co2激光抛光装置及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种米级大口径光学元件CO₂激光抛光装置。将光学元件在工作台作匀速运动的基础上，通过激光穿过支架上的孔洞，经反射镜将光束传递到由振镜和聚焦镜组成的振镜系统实现对光学元件的加工，支架上设有一体的反射镜、振镜、聚焦镜在激光从孔洞入射的方向作直线运动，不会因振镜系统的运动而影响光路传输，从而很好实现由工作台运动与振镜系统运动组成的运动轨迹粗定位，振镜系统自身的运动实现对运动轨迹的精定位。本发明的装置通过螺旋形加工轨迹方式且改变参数对光学元件进行扫描，通过熔融、气化组合方式实现对光学元件表面的抛光。本发明的装置可以实现米级以上直线或圆周运动。

Description

米级大口径光学元件CO2激光抛光装置及抛光方法

技术领域

本发明涉及光学元件表面精密及超精密加工技术领域，具体地说是米级大口径光学 元件CO₂激光抛光装置及抛光方法。

背景技术

随着空间光学、航空航天等科学技术的发展，对精密光学平面元件提出越来越高的 要求，不但精度要求越来越高，而且尺寸越来越大，这对光学元件的制造提出新挑战。传统光学元件一般需要经过下料、磨削、粗抛、半精抛、精抛等工序，尤其磨削和抛光 工序，不但耗时长、对环境有污染，而且加工工具对导致杂质渗入被加工元件，影响光 学元件的使用寿命，尤其是强激光作用下微量杂质可累在多次作用后容易诱发缺陷，从 而导致元件损伤甚至报废。因此亟需开发新型的抛光方式，减少甚至避免在后期加工过 程中杂质渗入对光学元件质量的影响，并提高抛光的效率。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种米级大口径光学元件CO₂激光 抛光装置及抛光方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种应用于米级大口径光学元件CO₂激光抛光装置，包括工作台，其上设有电磁夹具用于夹持光学元件，且工作台带动光学元件进行旋转运动，设有支架用于固定直 线导轨，另设有光路系统其内具有CO₂激光器、扩束准直镜、反射镜、整形镜、振 镜、聚焦镜，其中，振镜、聚焦镜构成场镜，集成一体的场镜和反射镜固定在直线导 轨上，通过直线导轨的运动和工作台的旋转运动实现运动轨迹的粗定位，；光路系统 中的场镜运动实现加工轨迹的精定位，CO₂激光器将激光束通过支架上设置的孔洞将 激光传递到与场镜固定连接的反射镜，再转射到场镜对工件进行抛光加工，固定场镜 的导轨其运动方向为沿着孔洞入射到反射镜上的方向。

进一步的，支架连接有用于驱动集成一体的场镜和反射镜运动的二维电动平台，确 保抛光时运动轨迹的变化不会影响光路系统中光束的传播。

进一步的，光学元件为圆形。

进一步的，光学元件为圆形时通过载物台和支架上二维电动平台的一维直线运动对 加工位置进行粗定位，通过振镜系统的运动实现加工表面的精定位和光学元件表面的快 速抛光。

进一步的，光学元件是各种光学玻璃或其他材料。

进一步的，激光为经过整形的平顶光。

米级大口径光学元件CO₂激光抛光方法，抛光的具体步骤为：

(1)将待抛光试样进行清洗、干燥等预处理。

(2)通过电磁夹具将光学元件固定在工作台上。

(3)设计扫描轨迹，保证光斑重叠率为50％～80％，扫描轨迹所形成的面积为待修复表面的1.1～1.2倍，将相应的平台旋转速度、进给机构速度、振镜速度等参数输入运 动控制系统和激光系统。

(4)打开激光器，调节激光功率为30～100W，频率为1～10kHz，脉宽为2～1000μs，光斑直径为0.1～5mm，焦距为5～500mm，振镜扫描速度为1～1000mm/s。

(5)通过工作台的旋转运动和直线导轨的直线运动对加工位置进行粗定位，扫描振镜的运动对加工位置进行精定位，进行螺旋式扫描，平台旋转速度10～100rad/s，进 给机构速度1～10mm/s，振镜扫描范围10×10mm～40×40mm。

(6)整个光学元件表面抛光结束后，每次降低激光功率5～10W，进给机构速度降低5～10mm/s，其余参数不变，重复第(3)步至第(5)步，进行多次扫描，直到表面 粗糙度达到需要值为止。

本发明相对于现有技术相比具有显著优点为：

1、采用的CO₂激光抛光属于无接触式加工，不会掺入新的杂质，对光学元件造成二次污染；

2、采用的CO₂激光抛光属于无接触式加工，通过熔融、气化或熔融与气化组合的方式抛光工件，相对小工具抛光、磁流变抛光等接触式抛光所产生的残余应力非常小；

3、采用的电磁夹具方式固定光学玻璃，操作方便，不产生机械压应力，更适合精密光学玻璃的加工；

4、采用的CO₂激光加工圆形光学元件采用螺旋形扫描轨迹，扫描均匀，效率远高于传统机械式抛光，扫描范围大；扫描面积大于光学玻璃待修复表面，防止激光扫描初 期和结束时质量不稳，降低参数调节难度，提高修复效果；

6、通过多次扫描逐层去除或融化的方式进行抛光，通过不断降低功率和速度的方式逐步提高抛光精度。

附图说明

图1米级大口径光学元件CO₂抛光装置示意图。

图2光学元件CO₂激光抛光光路示意图。

图3螺旋式扫描轨迹示意图。

图中：1为工作台，2为电磁夹具，3为光学元件，4为场镜系统，5为直线导轨，6 支架，7为CO₂激光器，8为扩束准直镜，9为反射镜，10为整形镜，11为振镜，12 为聚焦镜。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步说明：

本发明的原理及依据是：CO₂激光具有很高的瞬间能量，这些能量通过光子传递给被加工材料的表面，使工件表面温度升高，从而使光学元件表面熔融或气化，从而实现 抛光的目的。采用本发明所述的米级大口径光学元件CO₂激光抛光方法及装置，可适用 于各种光学元件及其他大尺寸工件的激光抛光、激光清洗、激光去除残余应力等场合。

工作过程：如图1所示，光学元件3通过电磁夹具2固定在工作台1上，图2为光 学元件CO₂激光抛光光路示意图，CO₂激光器7发出的激光经扩束准直镜8后，将光斑 调整到需要的大小，经反射镜9改变光路方向，将光束导向垂直方向的整形镜10将高 斯光整为平顶光，然后通过由振镜11和聚焦镜12组成的场镜4对固定在工作台1上的 光学元件3进行抛光，工作台1的转速和支架6上的直线导轨5驱动场镜系统4作直线 运动实现了运动轨迹的初定位，振镜速度对加工轨迹进行精定位，最终确定出图3所示 的螺旋式加工轨迹，由于直线导轨5是沿着从支架孔传递到反射镜9上光路方向运动， 因此导轨的运动不会影响光路中激光束的传播，实现对光学元件表面的抛光。

实施例

对米级大口径光学元件进行CO₂激光抛光，基体材料为圆形融石英玻璃。实验是在万级洁净间中进行。首先把对光学元件进行清洗、干燥预处理。然后将光学元件3通过 电磁夹具2固定在工作台1上，光学元件3正对激光光束。调节激光参数：激光功率60W， 重复频率1kHz，脉宽10μs，焦距为20mm，光斑直径为2mm，振镜扫描速度100mm/s， 轨迹间隔1mm，轨迹超出融石英尺寸1％。工作台1转速为1rad/s，进给机构速度为 5mm/s，采用附图3中螺旋形轨迹进行扫描。整个光学元件表面扫描结束后，每次降低 激光功率5～10W，进给机构速度降低5～10mm/s，其余参数不变，重复进行多次扫描， 直到表面粗糙度达到需要值为止。

Claims (8)

1.一种米级大口径光学元件CO₂激光抛光装置，其特征在于，包括工作台，其上设有电磁夹具用于夹持光学元件，且工作台带动光学元件进行旋转运动，设有支架用于固定直线导轨，另设有光路系统其内具有CO₂激光器、扩束准直镜、反射镜、整形镜、振镜、聚焦镜，其中，振镜、聚焦镜构成场镜，集成一体的场镜和反射镜固定在直线导轨上，通过直线导轨的运动和工作台的旋转运动实现运动轨迹的粗定位，；光路系统中的场镜运动实现加工轨迹的精定位，CO₂激光器将激光束通过支架上设置的孔洞将激光传递到与场镜固定连接的反射镜，再转射到场镜对工件进行抛光加工，固定场镜的导轨其运动方向为沿着孔洞入射到反射镜上的方向。

2.根据权利要求1所述的米级大口径光学元件CO₂激光抛光装置，其特征在于，所述支架连接有用于驱动集成一体的场镜和反射镜运动的二维电动平台，确保抛光时运动轨迹的变化不会影响光路系统中光束的传播。

3.根据权利要求1所述的米级大口径光学元件CO₂激光抛光装置，其特征在于，所述光学元件为圆形。

4.根据权利要求3所述的米级大口径光学元件CO₂激光抛光装置，其特征在于，所述光学元件为圆形时通过载物台和支架上二维电动平台的一维直线运动对加工位置进行粗定位，通过振镜系统的运动实现加工表面的精定位和光学元件表面的快速抛光。

5.根据权利要求1所述的米级大口径光学元件CO₂激光抛光装置，其特征在于，所述的光学元件是各种光学玻璃或其他材料。

6.根据权利要求1所述的米级大口径光学元件CO₂激光抛光装置，其特征在于，所述的激光为经过整形的平顶光。

7.一种米级大口径光学元件CO₂激光抛光装置的应用，其特征在于，该装置还可应用于激光清洗、激光去除残余应力。

8.一种米级大口径光学元件CO₂激光抛光方法，其特征在于，抛光的具体步骤为

(1)将待抛光试样进行清洗、干燥等预处理；

(2)通过电磁夹具将光学元件固定在工作台上；

(3)设计扫描轨迹，保证光斑重叠率为50％～80％，扫描轨迹所形成的面积为待修复表面的1.1～1.2倍，将相应的平台旋转速度、进给机构速度、振镜速度参数输入运动控制系统和激光系统；

(4)打开激光器，调节激光功率为30～100W，频率为1～10kHz，脉宽为2～1000μs，光斑直径为0.1～5mm，焦距为5～500mm，振镜扫描速度为1～1000mm/s；

(5)通过工作台的旋转运动和直线导轨的直线运动对加工位置进行粗定位，扫描振镜的运动对加工位置进行精定位，进行螺旋式扫描，平台旋转速度10～100rad/s，进给机构速度1～10mm/s，振镜扫描范围10×10mm～40×40mm；

(6)整个光学元件表面抛光结束后，每次降低激光功率5～10W，进给机构速度降低5～10mm/s，其余参数不变，重复第(3)步至第(5)步，进行多次扫描，直到表面粗糙度达到需要值为止。

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