CN111590395B - 超薄光学元件的加工方法 - Google Patents

Abstract

一种超薄光学元件的加工方法，该方法主要包括：线切割、高精度铣磨、研磨、粗抛、大气等离子体高效抛光、大磨盘光顺等关键工序，本发明是一种基于传统点胶上盘加工结合APPP技术的超薄元件精密加工方法，实现了超薄元件的高精度加工，解决了目前超薄元件加工容易变形、面形极难控制的难点。具有加工精度高、加工效率高的特点。

Description

超薄光学元件的加工方法

技术领域

本发明涉及光学元件加工，特别是一种超薄光学元件的加工方法。

背景技术

随着国家产业升级和高端制造业的迅猛发展，全频谱、低缺陷光学元件在各个领域广泛应用。目前，上述光学元件朝着口径或者径厚比更大、质量更轻、精度更高的方向发展，特别是随着各国高功率激光装置的研制，高端光学元件应用越来越广泛，精度要求越来越高。为保证高功率激光器的输出脉冲光束质量和性能，光学元件的厚度因素受热效应及自聚焦的限制在一定范围内对输出能量的影响不大，但是光学元件的径厚比(元件口径与厚度之比)因素的影响却不断增大。因此超薄元件应运而生，这类元件冷却速度快、散热性能好，不仅可以解决高功率激光装置内的热效应和自聚焦难题，还可以使整个装置轻质化、精密化、低造价，充分满足未来不同领域的发展需求。但在高通量状态下，为保证激光系统的稳定运行并获得理想的光束聚焦质量，这些精密的超薄光学元件不仅要达到良好的面形精度、表面质量及超光滑的表面粗糙度指标，同时还需满足极为严格的中高频波前误差控制及与激光损伤相关的低缺陷控制等要求，因此目前超薄元件的加工在国内还处于工艺研究阶段。

超薄光学元件由于其厚度很小，其加工性能对外界环境因素变化较为敏感(如温度、湿度、外力、加工设备性能等因素)。在加工工程中由于受到粘结拉力、温度变化及其他外力影响，容易引起元件表面变形，最终达不到设计的面形精度要求，尤其是径厚比越大，面形精度要求越高，因此成为光学加工领域内的技术难点。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种超薄光学元件的加工方法，该方法是一种基于传统点胶上盘加工结合APPP技术的超薄元件精密加工方法，实现了超薄元件的高精度加工，为批量稳定化生产提供保证。

克服现有技术上超薄光学元件在加工过程中容易变形、面形极难控制的难点。具有加工精度高、加工效率高的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种超薄光学元件的加工方法，该方法主要包括以下步骤：

1)根据待加工的超薄光学元件的尺寸参数进行工装夹具及磨具设计，采用数控加工中心完成该工装及磨具外形尺寸及相应的定位孔和紧固销加工，以便于超薄元件的后期工序加工和检测；

2)工件线切割：超薄元件须由大块坯片进行切割；由于元件的厚度尺寸很小，常规的切割机容易引起元件的碎裂和崩边，需要切削力均匀、切缝小、精度高的线切割方式进行，首先根据图纸要求设定一定范围的切割公差，然后将大块坯片固定在线切割机上，接着设定切削速度(一般0.5mm/min-1mm/min)、切缝大小(一般约0.5mm-1mm)、切削厚度(一般按照径厚比100:1进行切割)等参数；最后启动切割机并开启切削液避免切割过程的热积聚效应导致元件报废；待切割完成后将元件清洗并移交下一工序；

3)工件高精度铣磨成型：首先根据图纸要求设定需要铣磨的公差范围，然后利用所述的工装夹具并采用高精度数控光学铣磨加工中心，使用常规固着砂轮铣磨工件，铣磨完成后采用触针式轮廓仪进行外型尺寸及面形检验，判断误差是否达到转工序要求，若达到要求则进入下一步，否则继续铣磨加工；

4)工件二轴机研磨：首先根据图纸要求设定需要研磨的公差范围并根据尺寸制定相应的研磨盘并固定放置在二轴机的研磨位置；然后根据超薄元件的尺寸选择合适的上盘模并采用沥青点胶方式将超薄元件点胶上盘；接着将带有超薄元件的上盘模倒放在所述的研磨盘上，将铁笔插入上盘模背部的固定孔中，并施加一定压力，使研磨盘与工件之间紧密贴合；然后选择初始位置和进给量，启动二轴机同时施加散粒金刚砂磨料开始研磨；研磨一段时间约0.5h-1h后，停止机床，取下上盘模并采用触针式轮廓仪进行尺寸和面形检测，如此反复，直到超薄元件一个表面磨到公差范围时进行下盘，然后重复上述过程进行第二面的研磨加工，直到超薄元件两个面均达到要求的公差范围；

5)工件二轴机粗抛：首先根据图纸要求设定需要粗抛的公差范围并根据尺寸制定相应的抛光盘并固定放置在二轴机的粗抛位置，表面粘附一层聚氨酯抛光模；然后根据超薄元件的尺寸选择合适的上盘模采用沥青点胶方式将超薄元件点胶上盘；接着带有超薄元件的上盘模倒放在所述的抛光盘上，并将铁笔插入上盘模背部的固定孔中，并施加一定压力，使抛光盘上的聚氨酯与工件之间紧密贴合；然后选择位置、进给量、转速及压力指标，启动二轴机同时施加散粒氧化铈抛光粉开始粗抛工序；粗抛过程每进行0.5h-1h即检测一次，如果超薄元件的面形精度收敛到进入干涉仪量程后(一般为小于2μm)，即采用激光干涉仪对所述的超薄工件的面形进行测量，得到工件所需要的全口径面形误差；当一面抛到相应的技术要求时进行下盘，然后重复上述过程进行第二面的粗抛加工，直到超薄元件加工到要求的技术指标；在粗抛过程中不断观察超薄光学元件表面形态，保证超薄光学元件完全抛亮且表面质量完好，直到超薄元件面形精度达到相应的技术要求；

6)大气等离子体高效精抛：将粗抛达标的超薄元件放置在大气等离子体加工(APPP)机床上，首先打表对标，然后将粗抛完成后的面形结果参数输入计算机软件计算去除函数和加工时间；然后将所述的去除函数在机床控制界面输入，并选择光栅加工路径，接着启动设备首先预热15-25min，然后使机床按照去除函数生成的参数进行大气等离子体高效精抛工序；加工完成后，冷却5-15min，最后取出采用数字化干涉仪进行检测，达到一定面型标准即可进行下一步骤加工，此时超薄光学元件上会有大气等离子体加工沉积物出现；

7)大磨盘光顺加工：将APPP加工完成的超薄元件采用上述二轴机粗抛方式进行光顺加工，时间约5-10min，直到超薄元件表面的残留物去除即可。

8)面形精度终检检测：上述加工流程完成后，采用数字化激光干涉仪和表面疵病检测仪对超薄光学元件的面形和表面质量进行检测，当超薄光学元件面形精度和表面质量未满足要求根据反馈情况，则返回步骤5)，当所述的超薄光学元件面形精度和表面质量满足要求，则结束加工。

所述的超薄元件工装夹具和磨具需要根据超薄元件的尺寸和性能进行专门设计加工，且口径比元件大5-10mm。

本发明的优点是：

1)本发明是一种基于传统点胶上盘加工结合APPP技术的超薄元件精密加工方法，采用大气等离子体快速精抛实现超薄光学元件的面形高效收敛，通过改变光斑口径大小，可调节去除效率。大气等离子体加工是一种基于化学反应实现材料去除的非接触式加工方法，加工过程中不会造成的表面及亚表面损伤，同时大气等离子体产生的活性粒子种类多、活性强，易于和材料表面发生反应，可以保证很高的化学反应速率，加工效率高、加工成本低。

2)本发明采用大磨盘光顺的方法进行大气等离子体加工后的超薄元件表面，不仅可以实现保形抛光，还可以去除上道工序中产生的沉积层，获得高精度的面形和表面质量。

附图说明

图1是本发明超薄光学元件加工方法的流程图

图2是大气等离子体加工超薄石英元件结果：左图为加工前的面形精度(5.095λ，λ＝632.8nm)，右图为加工的面形精度(0.296λ，λ＝632.8nm)

具体实施方式

下面参考附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

一种高精度高效率超薄光学元件的加工方法，流程图参见图1。本实施例以100×100×2mm的熔石英元件为加工对象，该加工方法包括以下步骤：

1)根据熔石英元件的尺寸参数进行工装夹具及磨具设计，采用数控加工中心完成该工装及磨具外形尺寸及相应的定位孔和紧固销加工，以便于熔石英元件的后期工序加工和检测；

2)工件线切割：首先根据图纸要求设定切割公差1-2mm，然后将大块坯片固定在线切割机上，接着设定切削速度0.5mm/min-1mm/min、切缝大小0.5mm-1mm、切削厚度2.5mm等参数；最后启动切割机并开启切削液避免切割过程的热积聚效应导致元件报废；待切割完成后将元件清洗并移交下一工序；

3)工件高精度铣磨成型：首先根据图纸要求设定需要铣磨的公差范围0.5-1mm，然后利用所述的工装夹具并采用高精度数控光学铣磨加工中心，使用常规固着砂轮铣磨工件，铣磨完成后采用触针式轮廓仪进行外型尺寸及面形检验，判断误差是否达到转工序要求，若达到要求则进入下一步，否则继续加工；

4)工件二轴机研磨：首先根据图纸要求设定需要研磨的公差范围0.3-0.5mm并根据尺寸制定研磨盘并固定放置在二轴机的研磨位置；然后根据熔石英元件的尺寸选择上盘模口径约120mm，并采用沥青点胶方式将熔石英元件点胶上盘；接着将带有熔石英元件的上盘模倒放在所述的研磨盘上，将铁笔插入上盘模背部的固定孔中，并施加一定压力，使研磨盘与工件之间紧密贴合；然后选择初始位置和进给量约50-80mm，启动二轴机同时施加散粒金刚砂磨料开始研磨；研磨约0.5h-1h后，停止机床，取下上盘模并采用触针式轮廓仪进行尺寸和面形检测，如此反复，直到超薄元件一个表面磨到公差范围时进行下盘，然后重复上述过程进行第二面的研磨加工，直到熔石英元件两个面均达到要求的公差范围；

5)工件二轴机粗抛：首先根据图纸要求设定需要粗抛的公差范围0.2-0.3mm并根据尺寸制定抛光盘并固定放置在二轴机的粗抛位置，表面粘附一层聚氨酯抛光模；然后根据熔石英元件的尺寸选择合适的上盘模口径约120mm，采用沥青点胶方式将熔石英元件点胶上盘；接着将带有熔石英元件的上盘模倒放在所述的抛光盘上，并将铁笔插入上盘模背部的固定孔中，并施加一定压力，使抛光盘上的聚氨酯与工件之间紧密贴合；然后选择位置、进给量50-80mm、转速约20-50r/min，启动二轴机同时施加散粒氧化铈抛光粉开始粗抛工序；粗抛过程每进行0.5h-1h即检测一次，如果熔石英元件的面形精度收敛到进入干涉仪量程后(一般为小于2μm)，即采用激光干涉仪对所述的超薄工件的面形进行测量，得到工件所需要的全口径面形误差；当一面抛到相应的技术要求时进行下盘，然后重复上述过程进行第二面的粗抛加工，直到熔石英元件加工到要求的技术指标；在粗抛过程中不断观察熔石英元件表面形态，保证熔石英元件完全抛亮且表面质量完好，直到熔石英元件面形精度达到相应的技术要求；

6)大气等离子体高效精抛：将粗抛达标的熔石英元件放置在大气等离子体加工(APPP)机床上，首先打表对标，然后将粗抛完成后的面形结果参数输入计算机软件计算去除函数和加工时间；然后将所述的去除函数在机床控制界面输入，并选择光栅加工路径，接着启动设备首先预热20min，然后使机床按照去除函数生成的参数进行大气等离子体高效精抛工序；加工完成后，冷却10min，最后取出采用数字化干涉仪进行检测，达到一定面形标准即可进行下一步骤加工，此时熔石英光学元件上会有大气等离子体加工沉积物出现。

7)大磨盘光顺加工：将APPP加工完成的熔石英元件采用上述二轴机粗抛方式进行光顺加工，时间约5-10min，直到熔石英元件表面的残留物去除即可；

8)面形精度终检检测：上述加工流程完成后，采用数字化激光干涉仪和表面疵病检测仪对熔石英元件的面形和表面质量进行检测，当超薄光学元件面形精度和表面质量未满足要求根据反馈情况，则返回步骤5)，当所述的超薄光学元件面形精度和表面质量满足要求，则结束加工。

图2是大气等离子体加工超薄石英元件结果：左图为加工前的面形精度(5.095λ，λ＝632.8nm)，右图为加工的面形精度(0.296λ，λ＝632.8nm)。

实验表明，本发明是一种基于传统点胶上盘加工结合APPP技术的超薄元件精密加工方法，实现了超薄元件的高精度加工，解决了目前超薄元件加工容易变形、面形极难控制的难点。具有加工精度高、加工效率高的特点。

Claims (3)

1.一种超薄光学元件的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据待加工的超薄光学元件的尺寸参数进行工装夹具及磨具设计，采用数控加工中心完成该工装及磨具外形尺寸及相应的定位孔和紧固销加工；

2)工件线切割：超薄元件须由大块坯片进行切割；首先根据图纸要求设定一定范围的切割公差，然后将大块坯片固定在线切割机上，接着设定切削速度、切缝大小、切削厚度；最后启动切割机并开启切削液避免切割过程的热积聚效应导致元件报废；待切割完成后将元件清洗并移交下一工序；

3)工件高精度铣磨成型：超薄元件线切割完成后，首先根据图纸要求设定需要铣磨的公差范围，然后利用所述的工装夹具并采用高精度数控光学铣磨加工中心，使用常规固着砂轮铣磨工件，铣磨完成后采用千分尺、触针式轮廓仪进行外型尺寸及面形检验，判断误差是否达到转工序要求，若达到要求则进入下一步，否则继续铣磨加工；

4)工件二轴机研磨：首先根据图纸要求设定需要研磨的公差范围并根据尺寸制定相应的研磨盘并固定放置在二轴机的研磨位置；然后根据超薄元件的尺寸选择合适的上盘模并采用沥青点胶方式将超薄元件点胶上盘；接着将带有超薄元件的上盘模倒放在所述的研磨盘上，将铁笔插入上盘模背部的固定孔中，并施加一定压力，使研磨盘与工件之间紧密贴合；然后选择初始位置和进给量，启动二轴机同时施加散粒金刚砂磨料开始研磨；研磨一段时间约0.5h-1h后，停止机床，取下上盘模并采用千分尺、触针式轮廓仪、平面度仪等进行尺寸、面形以及平行度指标检测，如此反复，直到超薄元件一个表面磨到公差范围时进行下盘，然后重复上述过程进行第二面的研磨加工，直到超薄元件两个面均达到要求的公差范围；

5)工件二轴机粗抛：首先根据图纸要求设定需要粗抛的公差范围并根据尺寸制定相应的抛光盘并固定放置在二轴机的粗抛位置，表面粘附一层聚氨酯抛光模；然后根据超薄元件的尺寸选择合适的上盘模采用沥青点胶方式将超薄元件点胶上盘；接着带有超薄元件的上盘模倒放在所述的抛光盘上，并将铁笔插入上盘模背部的固定孔中，并施加一定压力，使抛光盘上的聚氨酯与工件之间紧密贴合；然后选择位置、进给量、转速及压力指标，启动二轴机同时施加散粒氧化铈抛光粉开始粗抛工序；粗抛过程每进行0.5h-1h即检测一次，如果超薄元件的面形精度收敛到进入干涉仪量程后，即采用激光干涉仪对所述的超薄工件的面形进行测量，得到工件所需要的全口径面形误差；当一面抛到相应的技术要求时进行下盘，然后重复上述过程进行第二面的粗抛加工，直到超薄元件加工到要求的技术指标；在粗抛过程中不断观察超薄光学元件表面形态，保证超薄光学元件完全抛亮且表面质量完好，直到超薄元件面形精度达到相应的技术要求；

6)大气等离子体高效精抛：将粗抛达标的超薄元件放置在大气等离子体加工(APPP)机床上，首先打表对标，然后将粗抛完成后的面形结果参数输入计算机软件计算去除函数和加工时间；然后将所述的去除函数在机床控制界面输入，并选择光栅加工路径，接着启动设备首先预热15-25min，然后使机床按照去除函数生成的参数进行大气等离子体高效精抛工序；加工完成后，冷却5-15min，最后取出采用数字化激光干涉仪进行检测，达到一定面型标准即可进行下一步骤加工，此时超薄光学元件上会有大气等离子体加工沉积物出现；

7)大磨盘光顺加工：将大气等离子体加工机床加工完成的超薄元件采用上述二轴机粗抛方式进行光顺加工，时间约5-10min，直到超薄元件表面的残留物去除即可；

8)面形精度终检检测：上述加工流程完成后，采用数字化激光干涉仪和表面疵病检测仪对超薄光学元件的面形和表面质量进行检测，当超薄光学元件面形精度和表面质量未满足要求根据反馈情况，则返回步骤5)，当所述的超薄光学元件面形精度和表面质量满足要求，则结束加工。

2.根据权利要求1所述的超薄光学元件的加工方法，其特征在于，所述的超薄元件工装夹具和磨具需要根据超薄元件的尺寸和性能进行专门设计加工，且口径比元件大5-10mm。

3.根据权利要求1所述的超薄光学元件的加工方法，其特征在于，所述的切削速度一般为0.5mm/min-1mm/min，切缝大小一般为0.5mm-1mm；切削厚度按照径厚比100:1。

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