CN114900942A - 元件表面损伤修复装置及元件表面损伤修复方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种元件表面损伤修复装置及元件表面损伤修复方法，本申请的元件表面损伤修复装置包括石英炬管、气体管道、电火花发生器、电感线圈、电源模块和工作台。电火花发生器与石英炬管之间留有空隙；电感线圈缠绕设置在石英炬管外表面的下端；电源模块与电感线圈电连接；工作台位于石英炬管设置有电感线圈的一侧，并与石英炬管之间设置有空隙。本申请通过将电感耦合等离子体投射至待加工元件表面，在表面张力与等离子体气流的作用下原子团簇会发生迁移和重新排列，使得损伤区域的裂纹闭合，从而完成待加工元件的表面修复，并且不会引入新的损伤；此外，由于热源为电感耦合等离子体，因此修复完成后没有材料残留，提高了修复的质量。

Description

元件表面损伤修复装置及元件表面损伤修复方法

技术领域

本申请涉及光学元件表面损伤修复领域，尤其是涉及一种元件表面损伤修复装置及元件表面损伤修复方法。

背景技术

光学元件在使用过程中，由于人为操作失误、使用损耗等问题会导致其表面出现损伤。高精度高质量的光学元件通常价格昂贵，因此，出于降低成本、缩减开销的目的，往往需要对出现损伤的光学元件进行修复。

目前常用的修复手段主要分为两类，一类是将损伤区域的材料去除，另一类则是通过高温熔融的方式将损伤区域的材料融化后进行重新排列。然而第一类方法由于需要与光学元件接触，因此会引入亚表面损伤；第二类方法容易在光学元件其他区域形成材料沉积、存在残余应力的问题。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种元件表面损伤修复装置，能够对元件表面的损伤部分进行修复，在修复过程中不会引入新的损伤，同时结构简单、易于操作。

本申请还提出一种元件表面损伤修复方法。

根据本申请的第一方面实施例的元件表面损伤修复装置，包括：

石英炬管；

气体管道，所述气体管道与所述石英炬管的上端连接，用于向所述石英炬管内输送气体；

电火花发生器，所述电火花发生器与所述石英炬管之间留有一定空隙，用于向所述石英炬管内部提供种电子；

电感线圈，所述电感线圈缠绕设置在所述石英炬管外表面的下端；

电源模块，所述电源模块与所述电感线圈电连接，用于发送射频电流以产生电感耦合等离子体；

工作台，所述工作台位于所述石英炬管设置有所述电感线圈的一侧，并与所述石英炬管之间设置有空隙，所述工作台用于放置待加工元件。

根据本申请实施例的元件表面损伤修复装置，至少具有如下有益效果：通过将电源模块和电火花发生器在石英炬管内产生的电感耦合等离子体投射至待加工元件表面，使得损伤区域温度上升，在表面张力与等离子体气流的作用下原子团簇会发生迁移和重新排列，高点的材料分子会向低点填充，使得损伤区域的裂纹闭合，从而完成待加工元件的表面修复，并且不会引入新的损伤；此外，由于热源为电感耦合等离子体，因此修复完成后待加工元件表面无材料残留，提高了修复的质量。

根据本申请的一些实施例，所述石英炬管包括外管和内管，所述内管设置于所述外管内部，所述内管的外表面与所述外管的内表面之间设置有空隙；所述气体管道包括第一管道和第二管道，所述第一管道与所述内管连接，用于向所述内管中输送反应气体，所述第二管道与所述外管连接，用于向空隙中输送冷却气体。

根据本申请的一些实施例，还包括：流量控制器，所述流量控制器与所述第一管道、所述第二管道远离所述石英炬管的一端连接，所述流量控制器用于控制进入所述第一管道、所述第二管道的气体的流量。

根据本申请的一些实施例，还包括：水冷循环系统，设置于所述电源模块外侧，用于给所述电源模块进行降温。

根据本申请的一些实施例，所述电源模块包括：射频电源，用于产生射频电流；匹配器，所述匹配器的一端与所述射频电源连接，另一端与所述电感线圈连接，用于将所述射频电流耦合至所述电感线圈中。

根据本申请的一些实施例，所述工作台包括：工件夹台，用于固定所述待加工元件；三维数控运动平台，所述三维数控运动平台设置于所述工件夹台远离所述元件表面损伤修复装置的一侧，用于控制所述工件夹台的移动。

根据本申请的一些实施例，所述元件表面损伤修复装置还包括：显微镜，所述显微镜用于对修复后的所述待加工元件进行检查，以判断所述待加工元件是否完全修复。

根据本申请的第二方面实施例的元件表面损伤修复方法，应用于本申请第一方面实施例的元件表面损伤修复装置，元件表面损伤修复方法包括：接收并根据启动指令通过所述气体管道向所述石英炬管中输送气体，并打开所述电火花发生器和所述电源模块；当所述种电子与所述射频电流产生电感耦合等离子体后，关闭所述电火花发生器；根据预设需求调节所述电源模块的输出功率；通过所述工作台将所述待加工元件移动到所述电感耦合等离子体下方，根据预设加工时间对所述待加工元件进行修复。

根据本申请实施例的元件表面损伤修复方法，至少具有如下有益效果：通过将待加工元件放置于电感耦合等离子体下方，利用电感耦合等离子体的高温特性，将损伤区域的材料熔化，原子团在表面张力与等离子体气流的作用下发生迁徙与重新排列，从而完成损伤区域的裂缝修复；同时通过调节电源模块的输出功率，能够对电感耦合等离子体的温度进行调节，操作简单。

根据本申请的一些实施例，还包括：当达到所述预设加工时间后，降低所述电源模块的输出功率直至所述输出功率达到预设输出功率；对修复后的所述待加工元件进行冷却并进行清洗。

根据本申请的一些实施例，还包括：利用显微镜对修复后的所述待加工元件进行检查以判断所述待加工元件是否完全修复。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请做进一步的说明，其中：

图1为本申请实施例元件表面损伤修复装置的剖面示意图；

图2为本申请实施例元件表面损伤修复装置的原理示意图；

图3为本申请实施例元件表面损伤修复方法的流程示意图；

图4为本申请实施例元件表面损伤修复方法的又一流程示意图；

图5a为修复前的元件表面划痕形貌示意图；

图5b为图5a的截面轮廓曲线；

图6a为损伤修复3分钟后元件表面划痕形貌示意图；

图6b为图6a的截面轮廓曲线；

图7a为损伤修复8分钟后元件表面划痕形貌示意图；

图7b为图7a的截面轮廓曲线；

图8a为损伤修复18分钟后元件表面划痕形貌示意图；

图8b为图8a的截面轮廓曲线。

附图标记：

石英炬管100、内管110、外管120、气体管道200、第一管道210、第二管道220、电火花发生器300、电感线圈400、电源模块500、射频电源510、匹配器520、工作台600、工件夹台610、三维数控运动平台620、流量控制器700、待加工元件800。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，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，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。

本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

下面参考图1和图2描述根据本申请实施例的元件表面损伤修复装置。

如图1和图2所示，根据本申请实施例的元件表面损伤修复装置，包括石英炬管100、气体管道200、电火花发生器300、电感线圈400、电源模块500和工作台600。气体管道200与石英炬管100的上端连接，用于向石英炬管100内输送气体；电火花发生器300与石英炬管100之间留有空隙，用于向石英炬管100内部提供种电子；电感线圈400缠绕设置在石英炬管100外表面的下端；电源模块500与电感线圈400电连接，用于发送射频电流以产生电感耦合等离子体；工作台600位于石英炬管100设置有电感线圈400的一侧，并与石英炬管100之间设置有空隙，工作台600用于放置待加工元件800。

具体地，石英炬管100大致为圆柱体结构，石英炬管100的上端与气体管道200连接，气体管道200会向石英炬管100内部输送激发气体；石英炬管100的下端外表面缠绕有三匝电感线圈400，其中，电感线圈400为直径为6毫米的铜线圈，可以理解的是，电感线圈400的匝数、直径等参数可以根据需求进行改变。电源模块500与电感线圈400电连接，电源模块500根据使用者的设置输出相应的射频电流，从而电感线圈400会被施加上射频电流，进而使得石英炬管100内部产生射频频率变化的交变电场。电火花发生器300设置在电感线圈400上方，与石英炬管100外表面之间留有一定的空隙，打开电火花发生器300后，电火花发生器300会向石英炬管100内部提供种电子，种电子在交变电场的作用下会发生加速，当种电子与气体管道200输送进来的气体分子或原子发生碰撞后，则会产生电感耦合等离子体。工作台600放置于电感线圈400下方，并与石英炬管100的底面之间留有一定距离，待加工元件800放置于工作台600表面，通过移动工作台600将待加工元件800放置在电感耦合等离子体下方，以使电感耦合等离子体能够作用于待加工元件800表面，从而实现损伤区域的修复。

如图2所示，图2为利用电感耦合等离子体对待加工元件800表面损伤进行修复的原理示意图，由于电感耦合等离子体具有高温特性，因此，当电感耦合等离子体作用于待加工元件800表面时，损伤区域的温度能够迅速上升并迅速发生熔化。在表面张力与电感耦合等离子体气流的共同作用下，材料的原子团簇会发生迁移和重新排列，高点的材料会逐渐向低点填充，从而凹槽内的裂纹会逐渐闭合，进而达到了损伤修复的效果。

根据本申请实施例的元件表面损伤修复装置，通过将电源模块500和电火花发生器300在石英炬管100内产生的电感耦合等离子体投射至待加工元件800表面，使得损伤区域温度上升，在表面张力与等离子体气流的作用下原子团簇会发生迁移和重新排列，高点的材料分子会向低点填充，使得损伤区域的裂纹闭合，从而完成待加工元件800的表面修复，并且不会引入新的损伤；此外，由于热源为电感耦合等离子体，因此修复完成后待加工元件800表面无材料残留，提高了修复的质量。

在本申请的一些实施例中，如图1所示，石英炬管100包括外管120和内管110，内管110设置于外管120内部，内管110的外表面与外管120的内表面之间设置有空隙；气体管道200包括第一管道210和第二管道220，第一管道210与内管110连接，用于向内管110中输送反应气体，第二管道220与外管120连接，用于向空隙中输送冷却气体。

具体地，石英炬管100由内管110和外管120两部分组成，内管110设置于外管120内部，并且四周均与外管120的内表面之间留有一定的空隙。其中，内管110的长度短于外管120的长度，内管110与外管120上端对齐，石英炬管100下端仅有外管120的位置缠绕由电感线圈400。内管110与外管120是可拆卸设计，当内管110或外管120损坏时，可以单独进行内管110或外管120的更换，从而能够降低使用过程中石英炬管100整体更换的成本。

气体管道200则由第一管道210和第二管道220组成，第一管道210与内管110连接，用于向石英炬管100内部(即内管110内)输送反应气体，如氩气或氦气，可以理解的是，还可以使用其他惰性气体作为反应气体，以使生成的电感耦合等离子体能够更加稳定。第二管道220与外管120连通，用于向内管110和外管120之间的空隙内输送冷却用的氩气，从而避免石英炬管100的温度过高而发生损伤。

在本申请的一些实施例中，如图1所示，元件表面损伤修复装置还包括流量控制器700，流量控制器700与第一管道210、第二管道220远离石英炬管100的一端连接，流量控制器700用于控制进入第一管道210、第二管道220的气体的流量。

具体地，流量控制器700一端与储存气体的储存仓连接，另一端则分别与第一管道210、第二管道220连接，通过流量控制器700能够分别控制进入内管110中气体的流量和进入内管110和外管120空隙中气体的流量。在本申请中，使用的气体为氩气，进入内管110中的气体流量为1至1.5L/min，进入内管110和外管120空隙中的流量为15至18L/min。可以理解的是，气体的类型、气体的流量均可以根据需求进行调节。

在本申请的一些实施例中，元件表面损伤修复装置还包括水冷循环系统，水冷循环系统设置于电源模块500外侧，用于给电源模块500进行降温。

具体地，水冷循环系统(图中未标识)由冷却水箱和水循环管路组成，水循环管路环绕着电感线圈400和电源模块500，从而能够给电感线圈400和电源模块500进行降温，避免由于温度过高影响电源模块500的正常运转。

在本申请的一些实施例中，如图1所示，电源模块500包括射频电源510和匹配器520，射频电源510用于产生射频电流；匹配器520的一端与射频电源510连接，另一端与电感线圈400连接，用于将射频电流耦合至电感线圈400中。

具体地，如图1所示电源模块500由射频电源510和匹配器520组成，射频电源510一端于匹配器520连接，另一端接地，而射频电源510的另一端则于电感线圈400的两端连接。射频电源510产生的射频电流，经过匹配器520的耦合作用耦合到电感线圈400中，从而在石英炬管100的内部产生了射频频率振荡的交变电场。当在交变电场区域内产生随机电子时，在交变电场中加速撞击分子或原子，即电火花发生器300提供的种电子在电磁场的加速下于气体分子或原子发生碰撞，从而电离产生了电感耦合等离子体。

在本申请的一些实施例中，如图1所示，工作台600包括工件夹台610和三维数控运动平台620，工件夹台610用于固定待加工元件800；三维数控运动平台620设置于工件夹台610远离元件表面损伤修复装置的一侧，用于控制工件夹台610的移动。

具体地，如图1所示，工作台600由工件夹台610和三维数控运动平台620组成，工件夹台610用于固定待加工元件800，其中，工件夹台610采用导热率较差的特殊材料支撑，具有良好的保温性能，因此，在固定待加工元件800的同时，能够避免热量过多的散发到空气中，使得待加工元件800在修复过程中能够始终保持在高温状态下，从而能够提高修复的质量。三维数控运动平台620设置在工件夹台610下面，三维数控运动平台620能够根据设定的程序带动工件夹台610进行移动，以将损伤区域放在在等离子体的下方进行加工。通过采用三维数控运动平台620能够精准的控制待加工元件800的移动轨迹，从而能够保证损伤区域均能够得到修复，且不会影响到未损伤区域。

在本申请的一些实施例中，元件表面损伤修复装置还包括显微镜(图中未标出)，显微镜用于对修复后的待加工元件800进行检查，以判断待加工元件800是否完全修复。将修复完成后的待加工元件800放在激光共聚焦显微镜下进行观察，观察修复后的区域是否存在未完全修复的裂纹或形成了气泡。通过设置显微镜，能够提高修复后待加工元件800的表面质量，避免存在瑕疵的元件被使用。

在一些实施例中，本申请还提出了一种元件表面损伤修复方法。

如图3所示，根据本申请的元件表面损伤修复方法包括：

步骤S100：接收并根据启动指令通过气体管道向石英炬管中输送气体，并打开电火花发生器和电源模块；

步骤S200：当种电子与射频电流产生电感耦合等离子体后，关闭电火花发生器；

步骤S300：根据预设需求调节电源模块的输出功率；

步骤S400：通过工作台将待加工元件移动到电感耦合等离子体下方，根据预设加工时间对待加工元件进行修复。

具体地，如图1和图3所示，根据用户发出的启动指令，打开流量控制器700，使得气体从第一管道210以1至1.5L/min的流量进入到内管110中，从第二管道220以15至18L/min的流量进入到内管110与外管120的空隙中。其中，进入到内管110的气体为激发气体，进入空隙的气体为冷却气体，用于降低石英炬管100的温度。可以理解的是，气体的种类、气体的流量可以根据需求进行相应的设置。

根据启动指令打开电火花发生器300，使得电火花发生器300产生的种电子进入到石英炬管100中。同时打开电源模块500和水冷循环系统，射频电源510发出的射频电源510经过匹配器520耦合至电感线圈400中，从而使得石英炬管100内部产生频率变化的交变电场。种电子在交变电场的作用下加速，从而与内管110内的气体原子或分子发生碰撞，从而形成了电感耦合等离子体。当产生稳定并发强光的电感等离子体后，关闭电火花发生器300。

根据待加工元件800的大小调整射频电源510的输出功率，在本申请中功率大小在900至1200W之间。将待加工元件800放置于工件夹台610上进行固定，三维数控运动平台620根据预设的程序进行移动，从而带动待加工元件800移动到电感耦合等离子体下方，待加工元件800表面与石英炬管100底部之间的具体为10至15毫米。在电感耦合等离子体中的高能粒子的碰撞下会发生转移，损伤区域的温度迅速升高，表面的材料发生熔化，在熔融材料表面张力与电感耦合等离子体的共同作用下，熔化层的原子团簇会发生移动并重新进行排列，逐渐填充到损伤区域底部的裂纹中，从而完成了对待加工元件800损伤区域的修复。

根据本申请实施例的元件表面损伤修复方法，通过将待加工元件800放置于电感耦合等离子体下方，利用电感耦合等离子体的高温特性，将损伤区域的材料熔化，原子团在表面张力与等离子体气流的作用下发生迁徙与重新排列，从而完成损伤区域的裂缝修复；同时通过调节电源模块500的输出功率，能够对电感耦合等离子体的温度进行调节，操作简单。

在本申请的一些实施例中，如图1至图8b所示，元件表面损伤修复方法还包括：

步骤S500：当达到预设加工时间后，降低电源模块的输出功率直至输出功率达到预设输出功率；

步骤S600：对修复后的待加工元件进行冷却并进行清洗。

具体地，根据待加工元件800的大小，用户可以自行设置加工的时长，即预设加工时间。当实际加工时间达到预设技工时间后，则控制射频电源510逐步降低其输出功率，直到实际输出功率达到预设输出功率为止。例如，控制射频电源510每次降低100W，降低后保持三分钟后再进行下一次降低，直到射频电源510的输出功率为500W。通过逐步降低射频电源510的输出功率能够降低电感耦合等离子体作用区域的问题，从而控制修复完成后的待加工元件800缓慢降温，达到退火目的的同时，能够减少热应力的产生。

如图5a至图8b所示，随着加工时间的延长，待加工元件800表面的裂纹在逐渐消失，当加工到18分钟后，原来损伤区域的形貌已经变得光滑、截面轮廓曲线趋于平坦。因此通过调整电感耦合等离子体对损伤区域的加工时长，能够控制修复的程度。并且从截面轮廓曲线可以看出，划痕深度随着处理时间的增加在逐渐变浅，原来粗糙的表面在逐渐变得光滑。由截面轮廓曲线可知，电感耦合等离子体在修复损伤区域的同时，还能改善待加工元件800的表面粗糙度。

在本申请的一些实施例中，如图1和4所示，元件表面损伤修复方法还包括：

步骤S600：利用显微镜对修复后的待加工元件进行检查以判断待加工元件是否完全修复。

具体地，当射频电源510输出的功率降至预设输出功率时，则控制三维数控运动平台620进行移动，使得修复完成后的待加工元件800移动到远离电感耦合等离子的位置，使其自然冷却。将冷却完成后的待加工元件800从工件夹台610上取下，并利用去离子水超声波震荡等方式进行清洗，清洗后的待加工元件800用高纯氮气进行吹干。最后将清洗干净的待加工元件800放到显微镜下进行检查，检查是否完全修复。如果已经完全修复，则可以应用；如果未完全修复，比如仍存在裂纹、存在气泡等问题，则可以该元件进行再次修复。通过设置显微镜检查，能够避免修复后仍存在损伤的元件流入市场应用中。

上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.元件表面损伤修复装置，其特征在于，包括：

石英炬管；

气体管道，所述气体管道与所述石英炬管的上端连接，用于向所述石英炬管内输送气体；

电火花发生器，所述电火花发生器与所述石英炬管之间留有空隙，用于向所述石英炬管内部提供种电子；

电感线圈，所述电感线圈缠绕设置在所述石英炬管外表面的下端；

电源模块，所述电源模块与所述电感线圈电连接，用于发送射频电流以产生电感耦合等离子体；

工作台，所述工作台位于所述石英炬管设置有所述电感线圈的一侧，并与所述石英炬管之间设置有空隙，所述工作台用于放置待加工元件。

2.根据权利要求1所述的元件表面损伤修复装置，其特征在于，所述石英炬管包括外管和内管，所述内管设置于所述外管内部，所述内管的外表面与所述外管的内表面之间设置有空隙；所述气体管道包括第一管道和第二管道，所述第一管道与所述内管连接，用于向所述内管中输送反应气体，所述第二管道与所述外管连接，用于向空隙中输送冷却气体。

3.根据权利要求2所述的元件表面损伤修复装置，其特征在于，还包括：

流量控制器，所述流量控制器与所述第一管道、所述第二管道远离所述石英炬管的一端连接，所述流量控制器用于控制进入所述第一管道、所述第二管道的气体的流量。

4.根据权利要求1所述的元件表面损伤修复装置，其特征在于，还包括：

水冷循环系统，设置于所述电源模块外侧，用于给所述电源模块进行降温。

5.根据权利要求1所述的元件表面损伤修复装置，其特征在于，所述电源模块包括：

射频电源，用于产生射频电流；

匹配器，所述匹配器的一端与所述射频电源连接，另一端与所述电感线圈连接，用于将所述射频电流耦合至所述电感线圈中。

6.根据权利要求1所述的元件表面损伤修复装置，其特征在于，所述工作台包括：

工件夹台，用于固定所述待加工元件；

三维数控运动平台，所述三维数控运动平台设置于所述工件夹台远离所述元件表面损伤修复装置的一侧，用于控制所述工件夹台的移动。

7.根据权利要求1所述的元件表面损伤修复装置，其特征在于，所述元件表面损伤修复装置还包括：

显微镜，所述显微镜用于对修复后的所述待加工元件进行检查，以判断所述待加工元件是否完全修复。

8.元件表面损伤修复方法，应用于权利要求1至7中任一项所述的元件表面损伤修复装置，其特征在于，包括：

接收并根据启动指令通过所述气体管道向所述石英炬管中输送气体，并打开所述电火花发生器和所述电源模块；

当所述种电子与所述射频电流产生电感耦合等离子体后，关闭所述电火花发生器；

根据预设需求调节所述电源模块的输出功率；

通过所述工作台将所述待加工元件移动到所述电感耦合等离子体下方，根据预设加工时间对所述待加工元件进行修复。

9.根据权利要求8所述的元件表面损伤修复方法，其特征在于，还包括：

当达到所述预设加工时间后，降低所述电源模块的输出功率直至所述输出功率达到预设输出功率；

对修复后的所述待加工元件进行冷却并进行清洗。

10.根据权利要求9所述的元件表面损伤修复方法，其特征在于，还包括：

利用显微镜对修复后的所述待加工元件进行检查以判断所述待加工元件是否完全修复。

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