CN111375897A - 一种用于金属表面抛光的光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的用于金属表面抛光的光学装置，所述飞秒激光光源出射的激光光束依次经所述钒酸钇双折射晶体、所述衰减片及所述聚焦物镜后聚焦于所述三维移动平台上的金属表面，并对所述金属表面进行激光抛光处理，得到光滑的抛光表面，本发明提供的用于金属表面抛光的光学装置，通过控制相关飞秒激光加工参数，来实现金属表面的抛光，相较于现有的机械抛光方法，可实现一次大面积快速抛光和微区抛光，无需砂纸、研磨膏、化学腐蚀剂等辅助材料；且整个加工过程简单易操作，且热效应可忽略，可以实现高精度抛光；同时，由于采用非接触式加工，可以有效避免应力对金属钨样品表面的破坏和沾污等。

Description

一种用于金属表面抛光的光学装置

技术领域

本发明涉及光学加工技术领域，特别涉及一种用于金属表面抛光的光学装置。

背景技术

金属钨作为一种强度大，硬度高的难熔金属，具有良好的化学稳定性，不易受到腐蚀，同时，只有在1000℃以上才出现氧化物挥发和液相氧化物，所以在冶金、化工、电子、光源、机械工业等部门得到了广泛应用。然而，由于金属钨硬度高，当使用传统的机械研磨抛光方法时，其抛光周期长，抛光精度差、效率低且抛光过程中需要添加多种研磨剂，因此抛光的金属钨制品的价格一般较高，其中抛光成本可占去大半，而目前较为成熟的其他抛光方法中，例如离子束抛光、化学抛光、电解抛光等，通常需要严格的加工环境，并需要污染性的化学试剂作为辅助对样品进行抛光，存在效率低而成本高等缺点。考虑到现有的抛光技术中存在的各种问题，选择和开发一种新的抛光金属表面的抛光方法尤为重要。

激光抛光作为一种新的激光加工应用技术，具有效率高、加工区域可控、无化学污染、非接触式加工等特点，受到到了国内外研究人员的广泛关注。通常地，激光抛光是通过一束聚焦的激光照射在粗糙的金属表面，通过控制激光的能量密度和辐照时间等参数，对金属材料的粗糙表面进行加热，使其温度达到材料的熔沸点，从而形成一层厚度为微米量级的熔融金属层，由于材料本身的表面张力和重力的作用，该金属层会发生流动从而对表面凹陷处进行填补，与此同时，固液界面处的材料以每秒数米的速度凝固，最终获得了较为平整的抛光表面。目前，这种利用激光加热金属表面到达熔融或蒸发的抛光技术已得到深入研究。需要指出的是，这种抛光方法仅适合对热物理性能较好的材料抛光，所用激光光源多为连续和长脉冲激光。

然而当用长脉冲激光抛光钨等金属材料时，会在材料表面产生较多的热效应，使得材料温度梯度大，从而产生较大的热应力而拉扯材料表面而形成裂纹，这种应力损伤导致抛光精度所达到的级别不高，表面粗糙度通常为微米量级。此外，其对金属的抛光效果还受到多种因素影响，包括激光波长、光束入射角、激光扫描速度、扫描方式等，而如何精确控制多种参数使其在金属表面的固定区域内形成合适厚度的熔融金属层还面临很大的挑战。

发明内容

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种简单易控且不损伤金属样品表面的用于金属表面抛光的光学装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于金属表面抛光的光学装置，包括飞秒激光光源、钒酸钇双折射晶体、衰减片、聚焦物镜、三维移动平台及控制计算机，所述三维移动平台上固定有待抛光的金属，所述三维移动平台电性连接所述控制计算机；其中：

所述飞秒激光光源出射的激光光束依次经所述钒酸钇双折射晶体、所述衰减片及所述聚焦物镜后聚焦于所述三维移动平台上的金属表面，并对所述金属表面进行激光抛光处理，得到光滑的抛光表面。

在一些较佳实施例中，所述飞秒激光光源以掺钛蓝宝石激光器产生的啁啾放大脉冲作为加工光源。

在一些较佳实施例中，所述飞秒激光光源为重复频率为1kHz,脉冲宽度为40fs的线偏振飞秒激光。

在一些较佳实施例中，所述钒酸钇双折射晶体的光轴方向与入射的飞秒激光偏振方向具有45°的夹角，经过钒酸钇双折射晶体出射的飞秒激光被调整为共线传输、偏振方向相互垂直、具有固定时间延迟的飞秒激光双脉冲，且双脉冲能量相等。

在一些较佳实施例中，所述聚焦物镜为凸透镜，所述凸透镜在任何一个方向上均对光线具有聚焦功能，经过所述凸透镜的聚焦光斑为圆型，所述聚焦光斑的直径约为40微米。

在一些较佳实施例中，所述聚焦物镜为平凸柱面透镜，所述平凸柱面透镜仅在一个方向上对光线具有聚焦的功能，经过所述平凸柱面透镜的聚焦光斑呈细长的椭圆形，所述聚焦光斑的长度约为10毫米。

在一些较佳实施例中，所述控制计算机可调整所述三维移动平台的移动速度，使得照射在待抛光的金属重叠脉冲数目得以改变。

在一些较佳实施例中，所述控制计算机可调整所述三维移动平台的移动方向，使得照射在待抛光的金属区域得以改变。

在一些较佳实施例中，所述待抛光的金属为钨。

在一些较佳实施例中，所述钨为纯度为99.999％的单晶金属钨圆形片。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明提供的用于金属表面抛光的光学装置，所述飞秒激光光源出射的激光光束依次经所述钒酸钇双折射晶体、所述衰减片及所述聚焦物镜后聚焦于所述三维移动平台上的金属表面，并对所述金属表面进行激光抛光处理，得到光滑的抛光表面，本发明提供的用于金属表面抛光的光学装置，通过控制相关飞秒激光加工参数，来实现金属表面的抛光，相较于现有的机械抛光方法，可实现一次大面积快速抛光和微区抛光，无需砂纸、研磨膏、化学腐蚀剂等辅助材料；且整个加工过程简单易操作，且热效应可忽略，可以实现高精度抛光；同时，由于采用非接触式加工，可以有效避免应力对金属钨样品表面的破坏和沾污等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。

图1为本发明实施例提供的用于金属表面抛光的光学装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的采用机械研磨和双脉冲飞秒激光方法抛光后的金属钨表面扫描电子显微(SEM)图像。

图3为本发明实施例提供的采用机械研磨和用于金属表面抛光的光学装置抛光后的金属钨表面原子力显微(AFM)图像及其对比测量结果。

图4为本发明实施例提供的金属钨在8.87mW激光功率的飞秒激光辐照下，被抛光样品表面与钒酸钇双折射晶体光轴方向角的变化关系。

图5为本发明实施例提供的当固定钒酸钇双折射晶体光轴方向角为45o，在不同的激光能量和扫描速度的飞秒激光入射下，金属钨表面被抛光区域的SEM图像。

图6为本发明实施例提供的不同飞秒激光抛光次数与抛光深度的关系。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为本发明实施例提供的用于金属表面抛光的光学装置的结构示意图，包括飞秒激光光源110、钒酸钇双折射晶体120、衰减片130、聚焦物镜140、三维移动平台150及控制计算机160，所述三维移动平台150上固定有待抛光的金属，所述三维移动平台150电性连接于所述控制计算机160。

本发明提供的用于金属表面抛光的光学装置的实现方式如下：

所述飞秒激光光源110出射的激光光束依次经所述钒酸钇双折射晶体120、所述衰减片130及所述聚焦物镜140后聚焦于所述三维移动平台150上的金属表面，并对所述金属表面进行激光抛光处理，得到光滑的抛光表面。

在一些较佳的实施例中，所述飞秒激光光源110以掺钛蓝宝石激光器产生的啁啾放大脉冲作为加工光源。

进一步地，所述飞秒激光光源110为重复频率为1kHz,脉冲宽度为40fs的线偏振飞秒激光。

在一些较佳实施例中，掺钛蓝宝石激光器以1kHz的重复频率产生中心波长为λ＝800nm，线性偏振的40fs激光脉冲序列，系统的最大平均功率≈7mJ。

可以理解，通过控制飞秒激光光束的加工参数(激光强度，光斑直径，扫描速度，聚焦方式等)，可以实现对金属表面的高效抛光，包括局部高精度抛光和一次大面积快速抛光。

在一些较佳的实施例中，所述钒酸钇双折射晶体120的光轴方向与入射的飞秒激光偏振方向具有45o的夹角，经过钒酸钇双折射晶体120出射的飞秒激光被调整为共线传输、偏振方向相互垂直、具有固定时间延迟的飞秒激光双脉冲，且双脉冲能量相等。

在一些较佳的实施例中，所述聚焦物镜为凸透镜，经过所述凸透镜的聚焦光斑为圆型，所述聚焦光斑的直径约为40微米。

可以理解，由于所述凸透镜在任何一个方向上均对光线具有聚焦功能，经过凸透镜的聚焦光斑为圆型，其尺寸较小，直径约为40微米，从而可以实现对样品微区的抛光。

在一些较佳的实施例中，所述聚焦物镜为平凸柱面透镜，经所述平凸柱面透镜的聚焦光斑呈细长的椭圆形，所述聚焦光斑的长度约为10毫米。

可以理解，由于所述平凸柱面透镜仅在一个方向上对光线具有聚焦的功能，经过柱透镜的聚焦光斑呈细长的椭圆形，其尺寸较大，椭圆长轴方向光斑长度约为10毫米，从而能够实现一次抛光大面积的金属样品。

在一些较佳的实施例中，所述控制计算机160可调整所述三维移动平台150的移动速度，使得照射在待抛光的金属重叠脉冲数目得以改变，从而控制其抛光效果。

在一些较佳的实施例中，所述控制计算机160可调整所述三维移动平台150的移动方向，使得照射在待抛光的金属区域得以改变，从而实现对样品不同区域的定点抛光。

在一些较佳的实施例中，所述待抛光的金属为钨。

在一些较佳的实施例中，所述钨为纯度为99.999％的单晶金属钨圆形片，其表面经过粗砂纸打磨，表面较为粗糙。

可以理解，本发明提供的用于金属表面抛光的光学装置可高效抛光金属钨这种坚硬材料，具有耗时短、成本低、抛光效果好、简单易操作等特点，同时，由于该抛光方法属于非接触式加工，能有效避免材料表面的应力损伤及杂质沾污，利于实现商业化抛光金属钨。

可以理解，经抛光后的钨材料应用于多种金属钨制品，所述金属钨制品包括切削刀片、钻头、超硬模具、灯丝等，涉及机械、建筑、交通、电子、轻工、军工、航天、科技等各个领域。

请参阅图2，给出了分别采用机械研磨和双脉冲飞秒激光方法抛光后的金属钨表面扫描电子显微(SEM)图像。

从图2中可以看出，经过机械研磨后的抛光金属钨表面并不是很光滑，从中可以观察到明显的划痕、污点。而经过双脉冲飞秒激光照射后的金属钨表面变得比较光滑，表面并没有明显的缺陷存在，这是由于机械抛光是利用压块固定金属使之与研磨砂纸紧密接触，再通过摩擦去除凸起的材料，且抛光过程中需要加入溶剂冲洗，因此无法避免的会出现应力损伤和杂质污染等问题。再者通过比较放大后的SEM图像，可以看到机械研磨的材料表面抛光不均匀，不同位置的抛光效果相差很大。而经过飞秒激光抛光后，金属钨表面被直径100nm左右的颗粒均匀覆盖，抛光区域的每处位置均呈现相同的形貌。

请参阅图3，分别给出了采用机械研磨和用于金属表面抛光的光学装置抛光后的金属钨表面原子力显微(AFM)图像及其对比测量结果。

图3中给出了采用机械研磨与飞秒激光方法抛光后的钨表面AFM图像，下图为与之对应的虚线位置处高度变化的测量结果。可以看出，飞秒激光抛光后，抛光表面被直径100nm左右，高30nm左右的锥形凸起均匀覆盖，其表面粗糙度Ra＝10.4nm，达到了金属表面抛光的要求。同时，相较于飞秒激光抛光表面的高度测量结果，机械研磨的抛光表面呈现凹凸不平的特点，而飞秒激光抛光的表面与之相比较为平整，达到了较好的抛光效果。因此，尽管机械抛光可以在金属钨表面的抛光区域得到较小的粗糙度，Ra＝7.71nm，但其表面通常具有因应力损伤导致的不平整，而这种不平整严重影响了整个抛光表面的质量。此外，本实例中，抛光同样大小面积的金属钨样品，机械研磨的抛光方法所用时间为十几个小时，而飞秒激光抛光方法所用时间为几分钟，因此可知，飞秒激光抛光金属钨具有耗时少而抛光效果好的显著优势。

请参阅图4，给出了金属钨在8.87mW激光功率的飞秒激光辐照下，被抛光样品表面与钒酸钇双折射晶体光轴方向角的变化关系。

从图4中可以看出，在8.87mW的激光功率下，当钒酸钇双折射晶体旋转到合适的方向时，即双折射晶体光轴方向与入射飞秒激光偏振方向成45o夹角时，抛光区域最大，抛光效果最好，此时由于光线双折射效应，加工光束为共线传输、偏振垂直、能量相等的时间延迟双脉冲，而当光轴方向角在45o附近变化时，延迟双脉冲能量不再相等，此时双脉冲飞秒激光的抛光质量变差，金属钨表面被抛光区域有波纹状突起产生。基于此，使用能量相同、偏振垂直的延迟双脉冲飞秒激光是实现高质量抛光金属钨的重要加工参数。

请参阅图5，给出了当固定钒酸钇双折射晶体光轴方向角为45°，在不同的激光能量和扫描速度的飞秒激光入射下，金属钨表面被抛光区域的SEM图像。

从图5中可以看出，当飞秒激光的扫描速度为0.4mm/s时，对于入射激光能量较小时，金属钨表面被抛光区域面积较小且主要集中在光斑中心位置处，而随着入射激光能量增加，被抛光区域逐渐变大，从中心位置向边缘扩大，并最终在整个激光加工区域内实现抛光。当固定激光能量为9.05mW而增加扫描速度时，可以发现随着扫描速度增加至0.4mm/s，金属钨表面被抛光区域的两侧边缘变得愈加光滑，抛光区域逐渐变大。可见，材料表面被抛光区域的面积变化与入射激光能量和扫描速度密切相关。基于实例展示的实验结果可知，当入射激光能量和扫描速度较大时，抛光区域尺寸更大，抛光效果更好。

请参阅图6，给出了不同飞秒激光抛光次数与抛光深度的关系。

图6中利用激光能量8.84mW的飞秒激光重复抛光金属钨表面后，测量其未抛光区域与抛光区域中心位置的高度差，即抛光深度，可知，随着飞秒激光抛光次数的增加，抛光深度逐渐增加。单次飞秒激光抛光时，抛光深度约为1.3微米，当重复抛光三次后，抛光深度增加到3.3微米，因此，可以通过控制抛光次数实现不同深度的表面抛光。

本发明提供的用于金属表面抛光的光学装置，所述飞秒激光光源出射的激光光束依次经所述钒酸钇双折射晶体、所述衰减片及所述聚焦物镜后聚焦于所述三维移动平台上的金属表面，并对所述金属表面进行激光抛光处理，得到光滑的抛光表面，本发明提供的用于金属表面抛光的光学装置，通过控制相关飞秒激光加工参数，来实现金属表面的抛光，相较于现有的机械抛光方法，可实现一次大面积快速抛光和微区抛光，无需砂纸、研磨膏、化学腐蚀剂等辅助材料；且整个加工过程简单易操作，且热效应可忽略，可以实现高精度抛光；同时，由于采用非接触式加工，可以有效避免应力对金属钨样品表面的破坏和沾污等。

采用本发明提供的用于金属表面抛光的光学装置得到的金属钨材料可应用于多种金属钨制品，所述金属钨制品包括切削刀片、钻头、超硬模具、灯丝等，涉及机械、建筑、交通、电子、轻工、军工、航天、科技等各个领域，例如，可以通过控制激光加工参数，能量、束斑大小、扫描速度等，实现对微型电路中的金属元件的高精度抛光。

当然本发明的用于金属表面抛光的光学装置还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (10)

1.一种用于金属表面抛光的光学装置，其特征在于，包括飞秒激光光源、钒酸钇双折射晶体、衰减片、聚焦物镜、三维移动平台及控制计算机，所述三维移动平台上固定有待抛光的金属，所述三维移动平台电性连接所述控制计算机；其中：

所述飞秒激光光源出射的激光光束依次经所述钒酸钇双折射晶体、所述衰减片及所述聚焦物镜后聚焦于所述三维移动平台上的金属表面，并对所述金属表面进行激光抛光处理，得到光滑的抛光表面。

2.如权利要求1所述的用于金属表面抛光的光学装置，其特征在于，所述飞秒激光光源以掺钛蓝宝石激光器产生的啁啾放大脉冲作为加工光源。

3.如权利要求1所述的用于金属表面抛光的光学装置，其特征在于，所述飞秒激光光源为重复频率为1kHz,脉冲宽度为40fs的线偏振飞秒激光。

4.如权利要求1所述的用于金属表面抛光的光学装置，其特征在于，所述钒酸钇双折射晶体的光轴方向与入射的飞秒激光偏振方向具有45°的夹角，经过钒酸钇双折射晶体出射的飞秒激光被调整为共线传输、偏振方向相互垂直、具有固定时间延迟的飞秒激光双脉冲，且双脉冲能量相等。

5.如权利要求1所述的用于金属表面抛光的光学装置，其特征在于，所述聚焦物镜为凸透镜，经过所述凸透镜的聚焦光斑为圆型，所述聚焦光斑的直径约为40微米。

6.如权利要求1所述的用于金属表面抛光的光学装置，其特征在于，所述聚焦物镜为平凸柱面透镜，经所述平凸柱面透镜的聚焦光斑呈细长的椭圆形，所述聚焦光斑的长度约为10毫米。

7.如权利要求1所述的用于金属表面抛光的光学装置，其特征在于，所述控制计算机可调整所述三维移动平台的移动速度，使得照射在待抛光的金属重叠脉冲数目得以改变。

8.如权利要求1所述的用于金属表面抛光的光学装置，其特征在于，所述控制计算机可调整所述三维移动平台的移动方向，使得照射在待抛光的金属区域得以改变。

9.如权利要求1所述的用于金属表面抛光的光学装置，其特征在于，所述待抛光的金属为钨。

10.如权利要求9所述的用于金属表面抛光的光学装置，其特征在于，所述钨为纯度为99.999％的单晶金属钨圆形片。

Images