CN113399836A - 一种利用激光高精度表面抛光的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用激光高精度表面抛光的装置及方法，包括：激光器、扩束镜、振镜以及场镜；激光器发射激光；扩束器置于激光器的出光口，用于改变激光器发射出激光的发散角，获得准直激光光束；振镜置于扩束器的出光口，用于调整所述准直激光光束的辐照位置，使得所述辐照位置对准工件刀纹波峰；场镜置于振镜的出光口，用于实现光束聚焦，获得与刀纹尺寸相称的高功率密度光斑；高功率密度光斑对准工件的刀纹波峰位置，融化所述刀纹波峰，以对工件表面进行高精度抛光。本发明在机床车完工件后直接用激光加工设备对工件进行抛光以去除刀纹，实现加工的自动化和集成化。该方法可以极大效率去除刀纹，降低材料表面粗糙度。

Description

一种利用激光高精度表面抛光的装置及方法

技术领域

本发明属于激光抛光技术领域，更具体地，涉及一种利用激光高精度表面抛光的装置及方法。

背景技术

单晶硅是一种重要的光学材料，超光滑硅基反射镜广泛应用于空间成像探测、武器光学制导、重大科技基础设施等先进光学系统。反射镜的表面粗糙度与亚表面损伤情况决定了光学系统的成像质量与使用寿命，若无法突破此类超光滑表面的制造技术，将会严重制约我国在上述先进光学领域的发展。釆用单点金刚石切削技术虽然能获得较好的表面粗糙度和理想的面形精度，但是切削加工的原理必然会导致在单晶硅反射镜加工表面产生刀纹，即使我们用肉眼无法分辨，但其会使加工表面产生光栅效应，增加镜面光的散射现象，影响系统的光学性能。

目前常用的去除刀纹的方法有精磨和抛光等。精磨需要特殊的刀具或者砂轮，不可避开的产生相应的磨损，同时也需要提供较大的转速，增加了生产成本不利于重复生产；机械抛光效率低，易造成抛光表面不均匀，抛光时间难掌握，不适宜大面积的表面处理；电解抛光前处理较为复杂，电解液的通用性差，使用寿命短和强腐蚀性及难处理；化学抛光所用抛光溶液的使用寿命短，调整和再生比较困难，化学抛光操作过程中，硝酸散发出大量黄棕色有害气体，对环境污染非常严重。于是提出用激光的方式去除刀纹，去除过程与材料无直接接触，避免了对材料的污染和损伤，同时作为等材加工工艺，激光去除刀纹过程几乎无废料产生，绿色环保。因此，设计一种专门将激光抛光设备安装于精密机床的装置很有必要，对于提高自动化生产水平、减少安全隐患以及提高生产效率具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用激光高精度表面抛光的装置及方法，旨在解决现有去除刀纹的方法操作复杂、自动化水平差、具有安全隐患且对环境有污染的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种利用激光高精度表面抛光的装置，包括：激光器、扩束镜、振镜以及场镜；

所所述激光器用于发射激光；

所述扩束器置于所述激光器的出光口，用于改变激光器发射出激光的发散角，获得准直激光光束；

所述振镜置于所述扩束器的出光口，用于调整所述准直激光光束的辐照位置，使得所述辐照位置对准工件刀纹波峰；

所述场镜置于所述振镜的出光口，用于实现光束聚焦，获得与刀纹尺寸相称的高功率密度光斑；所述高功率密度光斑用于对准工件的刀纹波峰位置，融化所述刀纹波峰，以对工件表面进行高精度抛光。

在一个可选的示例中，该装置还包括：激光器安装板和机床；

所述机床包括：机床主轴旋转平台、机床B轴旋转平台、机床Z轴移动平台以及机床X轴移动平台；

所述激光器、扩束镜、振镜以及场镜安装在激光器安装板上；

所述激光器安装板与机床B轴旋转平台连接；

所述工件安装在机床主轴旋转平台上；

所述机床主轴旋转平台置于机床X轴移动平台上；

所述机床B轴旋转平台置于机床Z轴移动平台上；

通过调节机床B轴旋转平台使得从场镜出射的激光垂直入射到工件表面；

通过调节机床Z轴移动平台设置激光的工作距离；

通过调节机床主轴旋转平台转速控制激光光斑扫描线的速度；

通过调节机床X轴移动平台控制激光光斑的扫描间距。

在一个可选的示例中，通过调整振镜控制激光光斑的位置，使其与工件中心等高，以便通过调节机床X轴移动平台控制机床X方向进给实现对工件的全面扫描；所述工件的刀纹波峰沿工件中心呈螺旋形状分布；

随后将激光器输出参数调整至实现工件刀纹波峰材料表面熔化的效果；通过调整机床主轴的转速和X轴的进给速度，使激光扫描轨迹与工件表面刀纹的波峰保持一致。

在一个可选的示例中，该装置还包括：振镜安装板、振镜连接柱、连接柱安装板、扩束镜过渡板以及激光器安装板；

所述激光器安装于激光器安装板；

所述扩束镜与激光器通过扩束镜过渡板连接；

所述振镜安装在振镜安装板上，通过振镜连接柱与连接柱安装板连接，并固定于激光器安装板上；

所述场镜安装在振镜上。

第二方面，本发明提供一种利用激光高精度表面抛光的方法，包括如下步骤：

发射激光；

调整激光的发散角，获得准直激光光束；

调整所述准直激光光束的辐照位置，使得所述辐照位置对准工件刀纹波峰；

对调整辐照位置后的准直激光实现光束聚焦，获得与刀纹尺寸相称的高功率密度光斑；

将所述高功率密度光斑对准工件的刀纹波峰位置，融化所述刀纹波峰，以对工件表面进行高精度抛光。

在一个可选的示例中，该方法还包括如下步骤：

通过调节激光沿B轴旋转使得所述高功率密度光斑对应的激光垂直入射到工件表面；

通过调节激光沿Z轴运动调整激光的工作距离；

通过调节工件沿主轴旋转的转速控制激光光斑扫描线的速度；

通过调节工件沿X轴移动控制激光光斑的扫描间距。

在一个可选的示例中，使其与工件中心等高，以便通过控制工件沿X方向进给实现对工件的全面扫描；所述工件的刀纹波峰沿工件中心呈螺旋形状分布；

随后将激光参数调整至实现工件刀纹波峰材料表面熔化的效果；通过调整工件沿主轴的转速和工件沿X轴的进给速度，使激光扫描轨迹与工件表面刀纹的波峰保持一致。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提供一种利用激光高精度表面抛光的装置及方法，将精密机床与激光加工设备集成，可以在机床切削完成后直接对工件进行刀纹去除，避免工件的二次装夹，节省了加工时间，利用超精密机床自身的运动精度保证了加工精度。

(2)本发明提供一种利用激光高精度表面抛光的装置及方法，可以调整激光的辐照位置，便于激光光斑中心与工件中心的对准，并且能够满足刀纹去除设备在不同场合下的使用。

(3)本发明提供一种利用激光高精度表面抛光的装置及方法，可以实现激光光斑对刀纹波峰的跟踪，实现快速且精准地去除刀纹的作用。

(4)本发明提供一种利用激光高精度表面抛光的装置及方法，可以通过超精密机床连续调整工件转速，使激光光斑在各径向距离刀纹上的线速度保持一致，实现全表面刀纹去除效果的一致性。

(5)本发明提供一种利用激光高精度表面抛光的装置及方法，可以实现激光光斑随刀纹尺寸而改变，适应各种切削参数的工件表面刀纹去除。

(6)本发明提供一种利用激光高精度表面抛光的装置及方法，结构简单，抛光效率高，自动化程度高，利用精密机床的精度可以实现工件的精准抛光，易于实现工业化应用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的激光发生装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的激光发生装置与机床集成的抛光装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的硅片表面经切削后留下的刀纹形状示意图；

图4为本发明实施例提供的激光抛光前硅片的截面形状示意图；

图5为本发明实施例提供的激光抛光后硅片的截面形状示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1、场镜；2、振镜；3、振镜安装板；4、振镜连接柱；5、连接柱安装板；6、扩束镜；7、扩束镜过渡板；8、激光器；9、激光器安装板；10、工件；11、机床主轴旋转平台；12、机床X轴移动平台；13、机床B轴旋转平台；14、机床Z轴移动平台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种利用激光高精度表面抛光的装置及方法，包括以下步骤：将激光刀纹去除设备安装在超精密机床上，通过调整振镜控制激光光斑的位置，使其与待处理单晶硅片中心等高，以达到最优的使用状态。随后调整激光器的加工参数，并且使机床按照预设轨迹行走，使激光中心扫描轨迹线于材料表面切削刀纹波峰保持一致，实现刀纹的精准去除，即可对待抛光工件单晶硅片进行激光抛光。本发明通过将激光刀纹去除设备安装于超精密机床上，用以对切削完的工件进行抛光，起到精准快速去除刀纹的作用。

本发明的目的在于提供一种利用激光高精度表面抛光的装置及方法，该装置可将现有刀纹去除设备与精密机床集成，可以在机床车完工件后直接用激光加工设备对工件进行抛光以去除刀纹，实现加工的自动化和集成化。该方法可以极大效率去除刀纹，降低材料表面粗糙度。

为了实现上述目的，本发明提出了一种利用激光高精度表面抛光的装置及方法，所述装置用于激光发射与调节，包括：场镜、振镜、振镜安装板、振镜连接柱、连接柱安装板、扩束镜、扩束镜过渡板、激光器、激光器安装板。激光器安装板上方安装激光器，下方连接机床的运动平台，且都可拆卸；振镜可以在工作幅面内精准调节激光辐照位置。该方法是将激光对准刀纹波峰的位置，通过控制超精密机床的转速与进给速度，使激光一直沿着刀纹波峰对材料表面进行加工，实现了精准融化波峰，去除刀纹，降低材料表面的粗糙度。

如图1所示，本发明实施例提供的激光发生装置的整体结构示意图，包括场镜1、振镜2、振镜安装板3、振镜连接柱4、连接柱安装板5、扩束镜6、扩束镜过渡板7、激光器8以及激光器安装板9。

具体的：将激光器8安装于激光器安装板9，用于产生合适频率、脉宽与功率的激光；扩束镜6与激光器8通过扩束镜过渡板7连接，用于改变激光发散角，获得准直激光光束；振镜2安装在振镜安装板3上，通过振镜连接柱4与连接柱安装板5连接，并固定于激光器安装板9，用于调整激光辐照位置；场镜1安装在振镜2上，用于实现光束聚焦，获得与刀纹尺寸相称的高功率密度光斑。

将图1所示的激光发生装置安装在精密机床上，如图2所示，将激光器安装板9与机床B轴旋转平台13连接，将工件10安装在机床主轴旋转平台11上；机床主轴旋转平台11置于机床X轴移动平台12上；机床B轴旋转平台13置于机床Z轴移动平台14上。

此时，通过调节B轴旋转平台13使激光垂直入射工件表面；通过调节机床Z轴移动平台13设置激光工作距离；通过调节机床主轴旋转平台转速控制激光光斑扫描线速度；通过调节机床X轴移动平台控制激光光斑扫描间距；通过调整振镜2控制激光光斑的位置，使其与待处理工件单晶硅片中心等高，以便通过机床X方向进给实现全面扫描。随后将激光器输出参数调整至实现材料表面熔化的效果；通过调整机床主轴转速S与X轴的进给速度F，使激光扫描轨迹与材料表面刀纹的波峰保持一致。

如图3所示。机床转速与进给速度参数设置可由以下公式计算：

S＝v/2πR(t)

R(t)＝R₀-Ft

F＝dS

其中，v为激光光斑扫描速度，R(t)为当前加工半径，R₀为初始加工半径，d为刀纹间距，t表示时间。

如图4所示，当激光辐照在材料表面刀纹波峰处，材料由于高温产生融化，熔融材料在多方向表面张力的作用下产生“由峰至谷”的流动，即可对待抛光工件单晶硅片表面刀纹进行精准去除，配合机床主轴与X轴的旋转与进给，实现材料表面刀纹的平坦化，如图5所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用激光高精度表面抛光的装置，其特征在于，包括：激光器、扩束镜、振镜以及场镜；

所述激光器用于发射激光；

所述扩束器置于所述激光器的出光口，用于改变激光器发射出激光的发散角，获得准直激光光束；

所述振镜置于所述扩束器的出光口，用于调整所述准直激光光束的辐照位置，使得所述辐照位置对准工件刀纹波峰；

所述场镜置于所述振镜的出光口，用于实现光束聚焦，获得与刀纹尺寸相称的高功率密度光斑；所述高功率密度光斑用于对准工件的刀纹波峰位置，融化所述刀纹波峰，以对工件表面进行高精度抛光。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：激光器安装板和机床；

所述机床包括：机床主轴旋转平台、机床B轴旋转平台、机床Z轴移动平台以及机床X轴移动平台；

所述激光器、扩束镜、振镜以及场镜安装在激光器安装板上；

所述激光器安装板与机床B轴旋转平台连接；

所述工件安装在机床主轴旋转平台上；

所述机床主轴旋转平台置于机床X轴移动平台上；

所述机床B轴旋转平台置于机床Z轴移动平台上；

通过调节机床B轴旋转平台使得从场镜出射的激光垂直入射到工件表面；

通过调节机床Z轴移动平台设置激光的工作距离；

通过调节机床主轴旋转平台转速控制激光光斑扫描线的速度；

通过调节机床X轴移动平台控制激光光斑的扫描间距。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，通过调整振镜控制激光光斑的位置，使其与工件中心等高，以便通过调节机床X轴移动平台控制机床X方向进给实现对工件的全面扫描；所述工件的刀纹波峰沿工件中心呈螺旋形状分布；

随后将激光器输出参数调整至实现工件刀纹波峰材料表面熔化的效果；通过调整机床主轴的转速和X轴的进给速度，使激光扫描轨迹与工件表面刀纹的波峰保持一致。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：振镜安装板、振镜连接柱、连接柱安装板、扩束镜过渡板以及激光器安装板；

所述激光器安装于激光器安装板；

所述扩束镜与激光器通过扩束镜过渡板连接；

所述振镜安装在振镜安装板上，通过振镜连接柱与连接柱安装板连接，并固定于激光器安装板上；

所述场镜安装在振镜上。

5.一种利用激光高精度表面抛光的方法，其特征在于，包括如下步骤：

发射激光；

调整激光的发散角，获得准直激光光束；

调整所述准直激光光束的辐照位置，使得所述辐照位置对准工件刀纹波峰；

对调整辐照位置后的准直激光实现光束聚焦，获得与刀纹尺寸相称的高功率密度光斑；

将所述高功率密度光斑对准工件的刀纹波峰位置，融化所述刀纹波峰，以对工件表面进行高精度抛光。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

通过调节激光沿B轴旋转使得所述高功率密度光斑对应的激光垂直入射到工件表面；

通过调节激光沿Z轴运动调整激光的工作距离；

通过调节工件沿主轴旋转的转速控制激光光斑扫描线的速度；

通过调节工件沿X轴移动控制激光光斑的扫描间距。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过控制激光光斑的位置，使其与工件中心等高，以便通过控制工件沿X方向进给实现对工件的全面扫描；所述工件的刀纹波峰沿工件中心呈螺旋形状分布；

随后将激光参数调整至实现工件刀纹波峰材料表面熔化的效果；通过调整工件沿主轴的转速和工件沿X轴的进给速度，使激光扫描轨迹与工件表面刀纹的波峰保持一致。

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