CN114082717A - 一种基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置及清洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置及清洗方法，包括集成箱、气流辅助系统和激光器；所述集成箱内安装三维移动平台，所述三维移动平台上安装玻璃材料加工件，所述玻璃材料加工件的加工面两侧安装磁极板，所述磁极板产生的磁力线穿过玻璃材料加工件的加工面；激光束穿过集成箱聚焦在玻璃材料加工件的上方，用于击穿空气形成等离子体冲击波；所述气流辅助系统用于在玻璃材料加工件的加工面上方产生气流，使等离子体向玻璃材料加工件的加工面作漂移运动，用于扩展等离子体冲击波的清洗面积。本发明采用磁场和辅助气流的耦合来约束改变激光冲击波的形状，并使其朝着样品表面作漂移运动，扩展清洗面积，提高清洗效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光清洗领域或者透明材料清洗领域，特别涉及一种基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置及清洗方法。
背景技术
激光清洗是一种很有前景的技术，可以去除玻璃基板表面的灰尘等颗粒物，不需要将其直接暴露于激光束的照射中，而是将激光束聚焦在离待清洗物体表面特定距离，利用在聚焦点附近电介质被击穿而产生的以超音速移动向外迅速扩散的等离子体冲击波去除基板表面的颗粒物。作用于颗粒所产生的阻力，如果超过了颗粒与物体表面的吸附力，就会导致污染物被去除。目前，该技术主要在电子、光学等行业中得到广泛的应用。但是激光等离子体清洗工艺仍存在一些问题，其中主要问题包括清洗面积小、清洗效率低以及污染颗粒二次沉积。现有技术提出了一种溶胶—凝胶膜面激光清洗设备及其清洗方法，该方法是利用脉冲激光诱导空气介质光学击穿，产生等离子体冲击波，将高功率溶胶—凝胶薄膜表面颗粒污染物清除。该方法不会给样品带来损伤，但是也存在一定的缺陷如膜面污染颗粒容易二次沉淀，不能完全清除。对于上述缺陷，目前各企业以及高效实验室的解决办法主要是重复清洗，大量提高清洗次数，但是该措施对提高清洗效率、扩展清洗面积以及防止污染颗粒二次沉积没有突破性进展。
针对上述的问题，该行业的相关学者大多采用添加流动水膜层的方法来解决污染颗粒二次沉积的问题，或者采用添加能量吸收层的方法来解决清洗效率低下的问题。现有技术利用激光冲击波对覆盖在金属工件表面的去离子水诱导产生急剧膨胀的等离子体，产生的等离子体冲击波直接作用于金属工件表面颗粒，使颗粒在冲击波和高压水流的作用下与金属表面分离，但是该方法并不能提高清洗效率，缩短清洗时间，且相对于光学玻璃来说，水膜的存在一定程度上会带来微纳米级的外来污染，不符合光学玻璃的高洁净度要求。现有技术提出了一种基于激光冲击波技术清洗锂离子电池电极的装置，在电极表面涂覆一层黑漆作为能量吸收层，激光束击穿电离该能量层产生冲击波去除电极表面的SEI层，脱落的SEI层在氩气的推动下排除。该方法对于高精度表面要求的光学玻璃来说并不适用，能量吸收层与基材表面直接固体接触，产生的冲击波清洗效率相对空气电离产生的冲击波清洗效率得到了提高，但是一定程度上对基材表面造成微观损害。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，为了在不损伤基底的情况下，大幅提高激光冲击波的清洗效率，且不带来二次污染问题，克服现有问题的不足，本发明提供了一种基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置及清洗方法，采用磁场和辅助气流的耦合来约束改变激光冲击波的形状，并使其朝着样品表面作漂移运动，扩展清洗面积，提高清洗效率，方法简单易于实现，装置成本低廉。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置，包括集成箱、气流辅助系统和激光器；
所述集成箱内安装三维移动平台，所述三维移动平台上安装玻璃材料加工件，所述玻璃材料加工件的加工面两侧安装磁极板，所述磁极板产生的磁力线穿过玻璃材料加工件的加工面；
所述激光器用于产生激光束，所述激光束穿过集成箱聚焦在玻璃材料加工件的上方，用于击穿空气形成等离子体冲击波；
所述气流辅助系统用于在玻璃材料加工件的加工面上方产生气流，使等离子体向玻璃材料加工件的加工面作漂移运动，用于扩展等离子体冲击波的清洗面积。
进一步，所述气流辅助系统包括气泵、输气管和喷嘴；位于所述玻璃材料加工件加工面上方的磁极板上安装喷嘴，所述喷嘴通过输气管与气泵连接，所述喷嘴对准所述激光束产生的等离子体冲击波区域。
进一步，所述激光束聚焦在玻璃材料加工件的上方1-2mm。
进一步，所述喷嘴与激光束射入的方向夹角为30～45度。
进一步，还包括废料收集系统，所述废料收集系统为集尘装置(10)，用于吸收加工过程中产生的颗粒物。
进一步，还包括控制系统，所述控制系统根据清洗路径控制三维移动平台移动，所述控制系统控制气流辅助系统和激光器实现气流和磁场耦合。
一种基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置的清洗方法，包括如下步骤：
将玻璃材料加工件定位安装在三维移动平台上；
通过气流辅助系统向玻璃材料加工件的加工面输送气体；
将激光束聚焦在玻璃材料加工件上方，通过激光束击穿空气形成等离子体冲击波，通过气流辅助系统迫使被束缚的等离子体朝玻璃材料加工件表面漂移运动，同时等离子体冲击波的形状原有的对称椭圆形变为径向拉长的斜向下凸出的形状，用于扩展等离子体冲击波的清洗面积。
控制三维移动平台，根据清洗路径进行下一个位置的清洗。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置及清洗方法，采用磁场和辅助气流的耦合来约束改变激光冲击波的形状，并使其朝着样品表面作漂移运动，扩展清洗面积，提高清洗效率。
2.本发明所述的基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置及清洗方法，在磁场将等离子束缚在光学玻璃表面上方一定区域内的前提下，通过气流辅助迫使被束缚的等离子体芯朝光学玻璃表面产生漂移运动，同时等离子体冲击波也被改变形状，从原有的对称椭圆形变为径向拉长的斜向下凸出的形状，扩展了清洗面积，提高了清洗效率。
3.本发明所述的基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置及清洗方法，不会带来任何二次污染，仅激光器的一次性成本投入，在保证清洗效果的同时降低了清洗成本。
附图说明
图1为本发明所述的基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置的结构示意图。
图2为本发明的原理示意图。
图3为S型清洗路径示意图。
图中：
1-激光器；2-气泵；3-集成箱；4-输气管；5-玻璃材料加工件；6-第一磁体极；7-限位块；8-三维移动平台；9-步进电机；10-集尘装置；11-终端控制主机；12-第二磁体极。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明所述的基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置，包括集成箱3、气流辅助系统和激光器1；
所述集成箱3内安装三维移动平台8，三维移动平台8通过步进电机9控制移动，所述三维移动平台8上通过限位块7定位安装玻璃材料加工件5，所述玻璃材料加工件5的加工面两侧分别安装第一磁极板6和第二磁极板12，所述第一磁极板6和第二磁极板12之间产生的磁力线穿过玻璃材料加工件5的加工面；所述激光器1用于产生激光束，所述激光束穿过集成箱3聚焦在玻璃材料加工件5的上方，用于击穿空气形成等离子体冲击波；所述气流辅助系统包括气泵2、输气管4和喷嘴；位于所述玻璃材料加工件5加工面上方的第一磁极板6上安装喷嘴，所述喷嘴通过输气管4与气泵2连接，所述喷嘴对准所述激光束产生的等离子体冲击波区域，用于在玻璃材料加工件5的加工面上方产生气流，使等离子体向玻璃材料加工件5的加工面作漂移运动，用于扩展等离子体冲击波的清洗面积。
如图2所示的原理图，在磁场将等离子束缚在光学玻璃表面上方一定区域内的前提下，通过气流辅助迫使被束缚的等离子体芯朝光学玻璃表面产生漂移运动，同时等离子体冲击波也被改变形状，从原有的对称椭圆形变为径向拉长的斜向下凸出的形状，扩展了清洗面积，提高了清洗效率。
所述激光束聚焦在玻璃材料加工件5的上方1-2mm。所述喷嘴与激光束射入的方向夹角为30～45度。
本发明还包括废料收集系统，所述废料收集系统为集尘装置10，用于吸收加工过程中产生的颗粒物。
本发明还包括控制系统，所述控制系统根据图3所示的清洗路径控制三维移动平台8移动，所述控制系统控制气流辅助系统和激光器1实现气流和磁场耦合。
实施例
用K9光学玻璃，长宽均为50mm，厚度5mm。在实验室通风口处进行样品的污染制备，通过洗耳球吹掉分布不均且较大尺寸颗粒，在显微镜下观察得到颗粒分布均匀且颗粒小于15μm的玻璃材料加工件5表面。采用峰值功率可达1010W/cm2的SpitLigeht2000-10型Nd:YAG脉冲激光器，激光能量为75mJ，采用20cm焦距，清洗脉冲次数为15发，焦点作用距离2mm。
具体步骤如下：
将玻璃材料加工件5定位安装在三维移动平台8上，控制步进电机9移动三维平台8，使玻璃材料加工件5到达待清洗位置；
打开气泵2，经过输送管4输送气体，同时打开集尘装置10；通过喷嘴向玻璃材料加工件5的加工面输送气体；
开启纳秒脉冲激光器1，将激光束聚焦在玻璃材料加工件5上方，通过激光束击穿空气形成等离子体冲击波，通过气流辅助系统迫使被束缚的等离子体朝玻璃材料加工件5表面漂移运动，同时等离子体冲击波的形状原有的对称椭圆形变为径向拉长的斜向下凸出的形状，用于扩展等离子体冲击波的清洗面积。
控制三维移动平台3，根据清洗路径进行下一个位置的清洗。
玻璃材料加工件5表面清洗完成后，依次关闭激光器1、三维移动平台8、气泵2以及集成装置10，最后关闭终端控制主机11。
根据SEM观测的光学玻璃清洗前后表面颗粒的去除效果，采用Image pro plus软件计算样品表面颗粒的去除率，利用本发明获得的颗粒去除率明显提升30％-50％，清洗质量较好，清洗效率大幅提高。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置，其特征在于，包括集成箱(3)、气流辅助系统和激光器(1)；
所述集成箱(3)内安装三维移动平台(8)，所述三维移动平台(8)上安装玻璃材料加工件(5)，所述玻璃材料加工件(5)的加工面两侧安装磁极板(6、12)，所述磁极板(6、12)产生的磁力线穿过玻璃材料加工件(5)的加工面；
所述激光器(1)用于产生激光束，所述激光束穿过集成箱(3)聚焦在玻璃材料加工件(5)的上方，用于击穿空气形成等离子体冲击波；
所述气流辅助系统用于在玻璃材料加工件(5)的加工面上方产生气流，使等离子体向玻璃材料加工件(5)的加工面作漂移运动，用于扩展等离子体冲击波的清洗面积。
2.根据权利要求1所述的基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置，其特征在于，所述气流辅助系统包括气泵(2)、输气管(4)和喷嘴；位于所述玻璃材料加工件(5)加工面上方的磁极板(6、12)上安装喷嘴，所述喷嘴通过输气管(4)与气泵(2)连接，所述喷嘴对准所述激光束产生的等离子体冲击波区域。
3.根据权利要求1所述的基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置，其特征在于，所述激光束聚焦在玻璃材料加工件(5)的上方1-2mm。
4.根据权利要求2所述的基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置，其特征在于，所述喷嘴与激光束射入的方向夹角为30～45度。
5.根据权利要求1所述的基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置，其特征在于，还包括废料收集系统，所述废料收集系统为集尘装置(10)，用于吸收加工过程中产生的颗粒物。
6.根据权利要求1所述的基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统根据清洗路径控制三维移动平台(8)移动，所述控制系统控制气流辅助系统和激光器(1)实现气流和磁场耦合。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的基于磁场和气流辅助的激光清洗光学玻璃的装置的清洗方法，其特征在于，包括如下步骤：
将玻璃材料加工件(5)定位安装在三维移动平台(8)上；
通过气流辅助系统向玻璃材料加工件(5)的加工面输送气体；
将激光束聚焦在玻璃材料加工件(5)上方，通过激光束击穿空气形成等离子体冲击波，通过气流辅助系统迫使被束缚的等离子体朝玻璃材料加工件(5)表面漂移运动，同时等离子体冲击波的形状原有的对称椭圆形变为径向拉长的斜向下凸出的形状，用于扩展等离子体冲击波的清洗面积；
控制三维移动平台(3)，根据清洗路径进行下一个位置的清洗。
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| CN114082717B (zh) | 2024-02-09 |
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