CN109570151A - 液流超声复合辅助激光清洗光学元件的装置及清洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液流超声复合辅助激光清洗光学元件的装置及清洗方法，包括激光清洗模块和液流超声复合辅助模块。采用以上装置和方法，在基于激光湿法清洗的基础上，引入超声振动与液流清洗，其中，所设计的超生振动台与光学元件直接接触，可以更加充分的利用超声资源，超声振动产生的热量起到清洗前预热的作用，能够消除或减小清洗过程中的残余应力，避免不必要的损伤，提升光学元件性能；同时超声振动与激光参数调谐，从而与液流中激光致声效应产生的声波达到共振，使清洗效果得到显著提升，液流减小了激光对光学元件可能造成的损伤，并避免了二次污染，由此实现了针对光学元件的高效、高质量清洗。
Description
技术领域
本发明属于光学元件清洗技术领域，具体涉及一种液流超声复合辅助激光清洗光学元件的装置及清洗方法。
背景技术
随着各类光学元件的广泛应用与发展，对其各方面性能的要求不断增高，使用标准也愈发严格，光学元件表面的亚微米级污物足以导致光学元件性能劣化或产生缺陷。传统的清洗方法，或不能有效的去除微米亚微米级颗粒，或即使能够去除，但会对基体表面造成不同程度的损伤，又或是存在其他问题。
激光清洗作为一种新型的非接触式清洗技术，它具有清洗效率高、可灵活选择清洗区域、无环境污染等优点，是一种具有发展潜力与应用价值的清洗技术。在国外，激光清洗技术得到广泛的关注，在很多领域都开展了研究，其中，电子线路、除锈、脱漆、轮胎模具和文物的清洗方面都有成熟的激光清洗设备，已经开始广泛应用。而国内关于激光清洗技术的研究才起步不久，目前还只有一些零星报道，并未投入应用。
但是，目前激光清洗仍有一定局限，主要体现在如下几个方面：各方面实际清洗效率仍有不足，难以达到完好的清洗效果；激光能量密度高，易损伤基材；单纯激光产生的副作用限制了清洗的效果，适用范围较窄；理论研究少等劣势。同时，激光清洗过程产生的残余应力往往会直接影响清洗效果，造成无法避免的缺陷，而传统的处理方法主要弊端在于操作繁琐、耗时，且效果不太明显。
中国专利CN102009051A公开了一种溶胶-凝胶膜面激光清洗设备及其清洗方法，属于光学材料和激光技术领域。该清洗设备包括脉冲激光器、劈板、透镜、二维移动平台、准直激光器、能量计、步进电机和计算机。该技术方案具有清洗效率高、不留死角、不破坏膜面、不带来二次污染、可延长镀膜元件使用寿命等优点。此技术方案的不足之处在于，对于激光清洗的劣势仍未直接解决或优化，过高的能量密度对元件表面的损伤问题也未解决，同时这种问题这也是大多数激光清洗专利的问题，大多是对基础清洗工艺技术与清洗装备的研究，并未实际解决或弥补单纯激光清洗的限制性与不足。
中国专利CN103100537B公开了一种水下激光清洗方法及清洗头，该技术方案中，将激光经光纤引入水下，并经会聚透镜在距离被清洗材料表面为R的距离产生空化泡。所述R为空化泡的半径，利用空化泡产生的冲击波实现了对材料表面的清洗。具有高效、环保、不伤害基材等优点。此技术方案使用水下清洗的方法，对激光易损伤基材的缺点进行了一定补足，但是这种水下清洗方法没有引入液流，容易造成二次污染，这种未与超声等其他技术复合的普通激光湿法清洗对清洗效果以及对单纯激光的限制性与不足的弥补也有较大的提升空间。
发明内容
为解决现有的光学元件清洗方法，或不能有效的去除微米亚微米级颗粒，或即使能够去除，但会对基体表面造成不同程度的损伤等技术问题，本发明提供一种液流超声复合辅助激光清洗光学元件的装置及清洗方法。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种液流超声复合辅助激光清洗光学元件的装置及清洗方法，其要点在于：包括激光清洗模块和液流超声复合辅助模块，所述液流超声复合辅助模块包括超声振动发生组件和水幕发生组件；
所述超声振动发生组件包括能够固定光学元件的超声振动台以及用于使超声振动台发生超声振动的超声波发生器，所述水幕发生组件包括共同构成水路循环的水源储存箱、水幕发生器以及设置在水源储存箱出水口和水幕发生器进水口之间的水源净化器，所述超声振动台竖向安装在水幕发生器上，且位于水幕发生器水幕出水口的正下方，以使水幕能够流经超声振动台上的光学元件；
所述激光清洗模块包括激光器，该激光器激发的激光聚焦在水幕以及光学元件上。
采用以上结构，在基于激光湿法清洗的基础上，引入超声振动与液流清洗，其中，所设计的超生振动台与光学元件直接接触，可以更加充分的利用超声资源，超声振动产生的热量起到清洗前预热的作用，能够消除或减小清洗过程中的残余应力，避免不必要的损伤，提升光学元件性能；同时超声振动与激光参数调谐，从而与液流中激光致声效应产生的声波达到共振，使清洗效果得到显著提升，液流减小了激光对光学元件可能造成的损伤，并避免了二次污染，由此实现了针对光学元件的高效、高质量清洗。
作为优选：所述水幕发生器包括竖向安装在水源储存箱顶部的安装支架和横向安装在安装支架顶部的水幕发生器本体，所述水幕发生器本***于水源储存箱的上方，并用于产生水幕，所述超声振动台竖向安装在安装支架上。采用以上结构，位置合理，稳定可靠。
作为优选：所述超声振动台通过二维移动平台安装在安装支架上，并能够在步进电机的驱动下调整超声振动台在竖直平面上的位置。采用以上结构，能够稳定、可靠、精确地调节超声振动台在竖直平面上的位置。
作为优选：在所述超声振动台上设置有用于定位光学元件、并能够向光学元件传递超声波振动的工装夹具。采用以上结构，不仅能够稳定可靠地固定光学元件，而且能够保证超声振动能够可靠地传动到光学元件上，从而保证对光学元件的清洗效果。
作为优选：所述激光清洗模块还包括分光器、能量计和聚焦透镜，所述激光器激发的激光由分光器分为探针光和主激光，其中，探针光射入能量计中，并由能量计记录，主激光经聚焦透镜聚焦到水幕以及光学元件上。采用以上结构，不仅能够通过主激光清洗光学元件，而且能够通过能量计对探针光的测量，以辅助判断主激光的能量，以防止主激光能量密度过低导致清洗效果不佳，亦或是主激光能量密度过高，而容易损伤光学元件。
作为优选：在所述分光器和聚焦透镜之间设置有扩束器，由分光器射出的主激光经扩束器扩束后再射向聚焦透镜。采用以上结构，能够减小主激光的发散角，使主激光聚焦在光学元件上的光斑更小，具有更高的能量密度，减小能源的消耗。
作为优选：在所述激光器中设置有准直激光器，该准直激光器发出的准直光束与分光器射出的主激光的传播路径重合。采用以上结构，以通过准直激光器发出的准直光束来判断主激光的位置。
作为优选：所述能量计通过光纤连接有能量计探头，所述分光器射出的探针光经能量计探头引入能量计中。采用以上结构，能量计探头与能量计之间通过光纤柔性连接，便于整个光路的布置与调节。
一种液流超声复合辅助激光清洗光学元件的方法，其要点在于，包括以下步骤：
S1：将待清洗的光学元件固定在超声振动台上；
S2：启动并调节水幕发生器和水源净化器，使水幕持续地流经光学元件；
S3：启动超声波发生器，预热光学元件；
S4：启动激光器，使激光器激发的激光聚焦在水幕以及光学元件；
S5：调节光学元件在竖直平面上的位置，以使激光器激发的激光对光学元件的表面完成扫描。
采用以上方法，在清洗过程中引入超声振动与液流，能够有效的改善单纯激光清洗的限制缺陷，提高清洗效果。通过超声振动在液体中传播时析出的空化核闭合爆裂，产生声压梯度和声流来反复冲击污物与被清洗表面的结合部位，使污物脱离表面冲入清洗液中，达到清洗目的。当超声频率与激光脉冲参数调谐后所产生共振效应，能够大幅的减小污染物的附着力。超声振动还可以减小或消除激光清洗过程中由于受热不均产生的残余应力，从而提高清洗效果。此外，接触式所施加的超声振动相较于非接触式，还能够提高超声振动的利用率，增强超声振动的效果。
清洗过程中在光学元件表面施加的附着液流，不仅能够直接对污染物进行冲刷清洗，将脱离光学元件表面的污染物冲入水源存储箱中，还可在激光照射下急剧受热，产生***性气化冲击波使光学元件表面的污染物松散，并随冲击波反向离开光学元件表面，防止二次污染。这种激光致声热膨胀效应的声波，可在激光参数与超声频率调谐后产生共振效应，有利于光学元件表面污染物颗粒的脱离。同时这种光学元件表面附着的液流，还能够减小高能量密度激光对光学元件造成损伤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用本发明提供的液流超声复合辅助激光清洗光学元件的装置及清洗方法，设计巧妙，易于实现，在基于激光湿法清洗的基础上，引入超声振动与液流清洗，其中，所设计的超生振动台与光学元件直接接触，可以更加充分的利用超声资源，超声振动产生的热量起到清洗前预热的作用，能够消除或减小清洗过程中的残余应力，避免不必要的损伤，提升光学元件性能；同时超声振动与激光参数调谐，从而与液流中激光致声效应产生的声波达到共振，使清洗效果得到显著提升，液流减小了激光对光学元件可能造成的损伤，并避免了二次污染，由此实现了针对光学元件的高效、高质量清洗。
附图说明
图1为液流超声复合辅助激光清洗光学元件的装置的结构示意图；
图2为激光清洗模块的激光光路的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，一种液流超声复合辅助激光清洗光学元件的装置，包括激光清洗模块和液流超声复合辅助模块，所述液流超声复合辅助模块包括超声振动发生组件和水幕发生组件。整个设备具备实时反馈在人机界面的可视性，满足人机界面控制的可控性。
如图1所示，所述超声振动发生组件包括能够固定光学元件12的超声振动台10以及用于使超声振动台10发生超声振动的超声波发生器11，所述水幕发生组件包括共同构成水路循环的水源储存箱7、水幕发生器13以及设置在水源储存箱7出水口和水幕发生器13进水口之间的水源净化器14，所述超声振动台10竖向安装在水幕发生器13上，且位于水幕发生器13水幕出水口的正下方，从而让超声振动台10靠近水幕发生器13所形成水幕A的一侧，以使水幕A能够流经超声振动台10上的光学元件12。
具体地说，所述水幕发生器13包括竖向安装在水源储存箱7顶部的安装支架13a和横向安装在安装支架13a顶部的水幕发生器本体13b，所述水幕发生器本体13b位于水源储存箱7的上方，并用于产生水幕A，所述超声振动台10竖向安装在安装支架13a上。所述超声振动台10通过二维移动平台8安装在安装支架13a上，并能够在步进电机9的驱动下调整超声振动台10在竖直平面上的位置。水幕发生器本体13b产生水幕A，水幕A竖直地流入水源储存箱7中，再经过水源净化器14净化处理，循环回到水幕发生器本体13b中。
所述二维移动平台8能够满足竖直方向的二维调节运动，其中X轴行程大于100mm，Y轴行程大于100mm。整体平台可自动化控制，最大运动速度优于4m/min，重复定位精度优于±0.01mm，以配合激光器1实现精确扫描清洗。
在所述超声振动台10上设置有用于定位光学元件12、并能够向光学元件12传递超声波振动的工装夹具，比如，工装夹具可以是快速夹，亦可以是负压吸盘，只要保证既能够可靠地竖向夹持工装，又能够可靠地传递超声振动即可。
所述水幕发生器13的水幕厚度为0.1-1mm，水幕清洗包含精确地流量控制，流速在0.05-2L/min间可调，监控水幕A均匀度，并且可调节水幕A流量大小，水幕A的前后位置可手动调节，调节范围0-20mm，以适配光学元件12厚度的要求，不仅能够直接对污染物进行冲刷清洗，将脱离光学元件12表面的污染物冲入水槽，还可在激光照射下急剧受热，产生***性气化冲击波使基底表面的污染物松散，并随冲击波反向离开光学元件12表面，防止二次污染。
所述的水源储存箱7具备水位监控，低水位报警、自动补水功能、能有效过滤杂质并且具有高透水性的RO反渗透过滤***等功能。所述水源净化器14能有效净化水质至清洗要求，并能完成正常的水循环。
请参见图1和图2，所述激光清洗模块包括激光器1，具体地说，该激光器1为脉冲激光器，可以采用Nd:YAG激光器、XeF激光器、其他固体激光器、光纤激光器或半导体激光器。所述激光器1激发的激光聚焦在水幕A以及光学元件12上，清洗过程中激光参数根据需求可调，能量能够保证液流被急剧加热并产生***性气化。
具体地说，所述激光清洗模块还包括分光器2、能量计4和聚焦透镜6，所述激光器1激发的激光由分光器2分为探针光和主激光，其中，探针光射入能量计4中，并由能量计4记录，主激光经聚焦透镜6聚焦到水幕A以及光学元件12上。
在所述分光器2和聚焦透镜6之间设置有扩束器5，由分光器2射出的主激光经扩束器5扩束后再射向聚焦透镜6。所述能量计4通过光纤连接有能量计探头3，所述分光器2射出的探针光经能量计探头3引入能量计4中。
在所述激光器1中设置有准直激光器，准直激光器可以采用He-Ne激光器或半导体激光器。该准直激光器发出的准直光束与分光器2射出的主激光的传播路径重合。
需要指出的是，脉冲激光器1、步进电机9、水幕发生器13以及超声波发生器11均通过数据接口与计算机(或者控制器)连接，并受计算机控制。
一种液流超声复合辅助激光清洗光学元件的方法，包括以下步骤：
S1：将待清洗的光学元件12固定在超声振动台10上的工装夹具上，根据光学元件12的不同规格与要求进行合适的调整。
S2：启动并调节水幕发生器13和水源净化器14，调节水幕A厚度等参数至所需参数，使水幕A持续地流经光学元件12。
S3：启动超声波发生器11，对光学元件12进行预热。
S4：启动激光器1，调节激光清洗工艺参数至清洗所需参数，使激光器1激发的激光聚焦在水幕A以及光学元件12。
S5：按照预先设定的程序对光学元件12进行清洗，过程中，通过二维移动平台8不断改变光学元件12在竖直平面上的位置，以使激光器1激发的激光对光学元件12的表面完成扫描；
S6：清洗完毕后，关闭激光器1、超声波发生器11、水幕发生器13、步进电机9和水源净化器14。
实施例：清洗镀膜熔石英表面SiO2污染颗粒
基本工艺参数：使用Nd:YAG激光器，激光光斑为椭圆形3X4mm；激光能量密度在0.5-3.0J/cm2间可调，优选参数为3.0J/cm2；波长为1064nm/355nm，优选参数为355nm；选择单发激光；超声频率为100kHz；水幕A厚度为0.8mm，水幕A流速为0.8L/min。
1、将光学元件12装夹在超声振动台10上，打开步进电机9，通过二维移动平台8调整光学元件12的位置，使光学元件12处于合适位置，即光学元件12位于激光的照射区域。
2、打开水幕发生器13与水源净化器14，设定上述的相关参数，使水幕A恰附着于光学元件12之上。
3、先开启超声波发生器11，进行清洗前对光学元件12的预热，再开启激光器1，使用单发激光清洗。从而获得清洗效果好、无二次污染、不损伤基材的清洗后光学元件12。
4、完成后关闭激光器1、超声波发生器11、水幕发生器13、步进电机9、水源净化器14。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种液流超声复合辅助激光清洗光学元件的装置，其特征在于：包括激光清洗模块和液流超声复合辅助模块，所述液流超声复合辅助模块包括超声振动发生组件和水幕发生组件；
所述超声振动发生组件包括能够固定光学元件(12)的超声振动台(10)以及用于使超声振动台(10)发生超声振动的超声波发生器(11)，所述水幕发生组件包括共同构成水路循环的水源储存箱(7)、水幕发生器(13)以及设置在水源储存箱(7)出水口和水幕发生器(13)进水口之间的水源净化器(14)，所述超声振动台(10)竖向安装在水幕发生器(13)上，且位于水幕发生器(13)水幕出水口的正下方，以使水幕(A)能够流经超声振动台(10)上的光学元件(12)；
所述激光清洗模块包括激光器(1)，该激光器(1)激发的激光聚焦在水幕(A)以及光学元件(12)上。
2.根据权利要求1所述的液流超声复合辅助激光清洗光学元件的装置，其特征在于：所述水幕发生器(13)包括竖向安装在水源储存箱(7)顶部的安装支架(13a)和横向安装在安装支架(13a)顶部的水幕发生器本体(13b)，所述水幕发生器本体(13b)位于水源储存箱(7)的上方，并用于产生水幕(A)，所述超声振动台(10)竖向安装在安装支架(13a)上。
3.根据权利要求2所述的液流超声复合辅助激光清洗光学元件的装置，其特征在于：所述超声振动台(10)通过二维移动平台(8)安装在安装支架(13a)上，并能够在步进电机(9)的驱动下调整超声振动台(10)在竖直平面上的位置。
4.根据权利要求1所述的液流超声复合辅助激光清洗光学元件的装置，其特征在于：在所述超声振动台(10)上设置有用于定位光学元件(12)、并能够向光学元件(12)传递超声波振动的工装夹具。
5.根据权利要求1所述的液流超声复合辅助激光清洗光学元件的装置，其特征在于：所述激光清洗模块还包括分光器(2)、能量计(4)和聚焦透镜(6)，所述激光器(1)激发的激光由分光器(2)分为探针光和主激光，其中，探针光射入能量计(4)中，并由能量计(4)记录，主激光经聚焦透镜(6)聚焦到水幕(A)以及光学元件(12)上。
6.根据权利要求5所述的液流超声复合辅助激光清洗光学元件的装置，其特征在于：在所述分光器(2)和聚焦透镜(6)之间设置有扩束器(5)，由分光器(2)射出的主激光经扩束器(5)扩束后再射向聚焦透镜(6)。
7.根据权利要求5所述的液流超声复合辅助激光清洗光学元件的装置，其特征在于：在所述激光器(1)中设置有准直激光器，该准直激光器发出的准直光束与分光器(2)射出的主激光的传播路径重合。
8.根据权利要求5所述的液流超声复合辅助激光清洗光学元件的装置，其特征在于：所述能量计(4)通过光纤连接有能量计探头(3)，所述分光器(2)射出的探针光经能量计探头(3)引入能量计(4)中。
9.一种液流超声复合辅助激光清洗光学元件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将待清洗的光学元件(12)固定在超声振动台(10)上；
S2：启动并调节水幕发生器(13)和水源净化器(14)，使水幕(A)持续地流经光学元件(12)；
S3：启动超声波发生器(11)，预热光学元件(12)；
S4：启动激光器(1)，使激光器(1)激发的激光聚焦在水幕(A)以及光学元件(12)；
S5：调节光学元件(12)在竖直平面上的位置，以使激光器(1)激发的激光对光学元件(12)的表面完成扫描。
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