CN109590603A - 熔石英光学玻璃的激光束抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种熔石英光学玻璃的抛光方法，该方法利用连续CO2激光束抛光熔石英光学玻璃，采用非聚焦光源并结合温度监控及反馈***，实现对熔石英光学玻璃表面粗糙度RMS小于0.2nm的激光束抛光，抛光后熔石英光学玻璃的表面几乎无微缺陷和划痕。该发明包含退火步骤，可消除激光束抛光带来的残余热应力。本发明为无损超光滑表面熔石英光学玻璃的加工提供了新方法。

Description

熔石英光学玻璃的激光束抛光方法
技术领域
本发明涉及熔石英光学玻璃的抛光，特别是一种熔石英光学玻璃的激光束抛光方法。
背景技术
目前，针对熔石英光学玻璃的国内外常用加工抛光方法主要包括磨削、研磨及抛光技术、成型加工技术、超精密车削技术等，这些加工方法一定程度上解决了熔石英光学玻璃元件的加工需求，但仍存在诸多不足。基于磨削、研磨的加工技术在加工过程中不可避免的会对元件造成表面及亚表面损伤，抛光粉/液等辅助原料的注入会使元件表面引入杂质缺陷，由于加工路径规划的限制而存在中频波纹度残余等问题都是难以克服的难题。新型计算机控制光学表面成形(CCOS)技术包括数控小磨头加工、磁流变抛光等的主要针对大口径光学元件，很难有效控制复杂微小口径光学元件。离子束抛光(IBF)技术、等离子体辅助抛光(PACE)技术等特种加工技术虽能实现小口径元件加工，但去除效率低，抛光成本昂贵。成型加工技术通过铸模的方法能获取球面、非球面及自由面型等元件，但种方法对模具的精度要求高，并且不适用于软化温度较高的熔石英玻璃光学元件。对复杂面形光学元件加工的较好方法是超精密车削技术，具有加工精度高、表面质量好的优点，但其受限于车刀的大小和形状精度。因此，急需发展一种更好的技术解决现有问题。
激光抛光作为一种新型的光学元件抛光技术，基于CO2激光与物质相互作用的物理机理，是一种非接触式抛光方法。该方法采用连续CO2激光束快速扫描光学元件表面，控制表面温度略低于气化温度，材料粘度下降，在表面张力和Marangoni对流的共同作用下平滑表面，整个过程无材料的去除，不会带来表面、亚表面损，同时能平滑初始元件表面的划痕、缺陷等特征。通过精确控制工艺参数，激光抛光的光学元件能满足超光滑表面的要求。激光抛光还具有易于操控、灵活性高，抛光效率高，无需抛光液，安全无污染等优点，并且激光抛光不受光学元件几何形状的限制，可用于适合平面、球面、自由曲面等复杂面形光学元件的抛光。
然而，CO2激光抛光熔石英光学玻璃是一个热作用过程，抛光后的石英光学玻璃不可避免的会有残余热应力。残余应力问题得不到解决将直接限制激光抛光熔石英光学玻璃技术的实际应用。因此，消除激光抛光熔石英光学玻璃的残余热力是非常有必要的。
发明内容
本发明提供一种熔石英光学玻璃的激光束抛光方法，利用连续CO2激光束抛光熔石英光学玻璃元件，实现对熔石英光学玻璃元件表面的激光束抛光。
本发明技术解决方案如下：
一种熔石英光学玻璃的激光束抛光方法，包括以下步骤：
1)抛光前熔石英光学玻璃元件准备：将熔石英光学玻璃元件采用传统抛光方法抛光或研磨至精磨阶段，然后采用光学元件清洗方法将熔石英光学玻璃清洗干净，确保元件表面清洁无杂质残余，再将熔石英光学玻璃元件放置在洁净的抛光平台上；
2)抛光参数设定及路径规划：选用连续CO2激光光源，扫描路径根据加工需要选择合适路径，扫描速度根据激光能量和光斑尺寸，设定为1mm/s至1m/s不等，扫描间距设定不大于激光光束的半径(1/e2)；
3)采用高温计或红外热像仪实时监测抛光光学元件温度，当待抛光区域温度即将高于材料气化温度或预设定温度时，适当降低连续CO2激光光源的激光能量；当预测待抛光区域温度低于预设定温度时，适当提高连续CO2激光光源的激光能量，确保抛光熔石英光学玻璃元件过程温度处于恒定温度范围内；
4)激光抛光的熔石英光学玻璃退火：将激光抛光的熔石英光学玻璃平放在精密高温退火炉中，设定退火参数，分为升温阶段、保温阶段和降温阶段，其中降温阶段又分为慢速降温与快速降温阶段，升温阶段：由室温以每分钟2℃升温至950℃；保温阶段：在温度为950℃时，保温10小时；降温阶段：慢速降温阶段以15℃每小时降温至700℃，再快速降温以30℃每小时降温至室温。
所用的光源为连续CO2激光光源，且光源为非聚焦光。基于其为非聚焦光的特点，该抛光方法不受光学元件几何形状的限制，可适应于除平面面形以外的球面、非球面、自由曲面等复杂面形。扫描路径包括光栅式扫描路径、单向作用往返扫描路径、螺旋式扫描路径或随机扫描路径。工艺参数需根据抛光温度设定，抛光温度应接近气化温度而低于气化温度。
与传统熔石英玻璃的抛光方法相比，本发明可抛光出无损超光滑表面熔石英玻璃。采用非聚焦光源，能解决复杂面形光学元件抛光昂贵低效的难题，包含温控与反馈的步骤克服激光抛光热累积不均匀的问题，并利用的合适的退火方法成功的消除激光抛光熔石英光学玻璃残余热应力。
具体实施方式
下面结合实施例本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护内容。
实施例1
一种熔石英光学玻璃的激光束抛光方法，包括以下步骤：
1)抛光前熔石英光学玻璃元件准备：将熔石英光学玻璃元件采用传统抛光方法抛光，然后采用光学元件清洗方法将熔石英光学玻璃清洗干净，确保元件表面清洁无杂质残余，再将熔石英光学玻璃元件放置在洁净的抛光平台上。熔石英光学玻璃直径为30mm，厚度为3mm，激光束抛光前表面粗糙度为0.229nm(采用原子力显微镜检测，检测区域大小为1×1μm2)，抛光前最大应力为4nm/cm；
2)抛光参数设定及路径规划：在抛光控制软件中，选用连续CO2激光光源。抛光熔石英玻璃为圆形平面玻璃扫描的路径可以选择单向作用往返扫描路径。扫描速度根据激光能量100W、光斑直径为3mm，设定为16mm/s，扫描间距设定0.05mm；
3)采用高温计或红外热像仪实时监测抛光光学元件温度，预测待抛光区域温度即将高于材料气化温度或预设定温度，实时反馈，并基于温度预警降低激光能量。当温度低于预设温度，及时提高激光能量，以确保抛光过程温度处于恒定温度范围内。抛光后实施例1的熔石英光学玻璃最大应力为71.3nm/cm；
4)激光抛光的熔石英光学玻璃退火：将激光抛光的熔石英光学玻璃平放在高温退火炉中，设定退火参数，退火工艺分为升温阶段、保温阶段和降温阶段，其中降温阶段又分为慢速降温与快速降温阶段，升温阶段：由室温以每分钟2℃升温至950℃；保温阶段：在温度为950℃时，保温10小时；降温阶段：慢速降温阶段以15℃每小时降温至700℃，再快速降温以30℃每小时降温至室温。
经测试，上述激光束抛光熔石英玻璃，抛光后表面粗糙度RMS降低至0.18nm，且抛光后表面几乎无微缺陷和划痕，经退火后最大应为2.6nm/cm。
实施例2至实施例9的抛光参数如表1所示。
实施例2～9主要考察熔石英光学玻璃激光抛光过程中，激光能量、扫描方式、扫描速度、扫描间距和退火工艺对熔石英光学玻璃元件表面粗糙度RMS，微缺陷及最大应力的影响。具体的实施过程同实施例1，区别在于改变激光能量、扫描方式、扫描速度、扫描间距和退火工艺。由实验结果得出，最优的抛光参数为：激光能量100W，单向作用往返扫描方式，扫描速度16mm/s，扫描间距0.05mm，退火方法：每分钟2℃升温至950℃；保温阶段：在温度为950℃时，保温10小时；降温阶段：慢速降温阶段以15℃每小时降温至700℃，再快速降温以30℃每小时降温至室温。对熔石英光学玻璃元件激光抛光表面粗糙度RMS至0.18nm，抛光后表面几乎无微缺陷和划痕，经退火后最大应力为2.6nm/cm。
表1为本发明实施例的抛光条件：

Claims (6)

1.一种熔石英光学玻璃的激光束抛光方法，其特征是该抛光方法包括以下步骤：
1)抛光前熔石英光学玻璃元件准备：将熔石英光学玻璃元件采用传统抛光方法抛光或研磨至精磨阶段，然后采用光学元件清洗方法将熔石英光学玻璃清洗干净，确保元件表面清洁无杂质残余，再将熔石英光学玻璃元件放置在洁净的抛光平台上；
2)抛光参数设定及路径规划：选用连续CO2激光光源，扫描路径根据加工需要选择，扫描速度根据激光能量和光斑尺寸，设定为1mm/s至1m/s不等，扫描间距设定为小于激光光束的半径(1/e2)；
3)采用高温计或红外热像仪实时监测抛光光学元件温度：当待抛光区域温度高于材料气化温度或预设定温度时，降低连续CO2激光光源的激光能量；当待抛光区域温度低于预设定温度时，提高连续CO2激光光源的激光能量，确保抛光熔石英光学玻璃元件过程温度处于恒定温度范围内；
4)激光抛光的熔石英光学玻璃退火：将激光抛光的熔石英光学玻璃平放在高温退火炉中进行退火处理。
2.根据权利要求1所述的熔石英光学玻璃的激光束抛光方法，其特征在于所用的光源为连续CO2激光光源，且光源为非聚焦光。
3.根据权利要求1所述的熔石英光学玻璃的激光束抛光方法，其特征在于所述扫描路径包括光栅式扫描路径、单向作用往返扫描路径、螺旋式扫描路径或随机扫描路径。
4.根据权利要求1所述的熔石英光学玻璃的激光束抛光方法，其特征在于所述的工艺参数需根据抛光温度设定，抛光温度应接近气化温度而低于气化温度。
5.根据权利要求1-4任一所述的熔石英光学玻璃的激光束抛光方法，其特征在于所述的退火处理分为升温阶段、保温阶段和降温阶段，其中降温阶段又分为慢速降温与快速降温阶段。
6.根据权利要求5所述的熔石英光学玻璃的激光束抛光方法，其特征在于所述的升温阶段是指由室温以每分钟2℃升温至950℃；所述的保温阶段是指在温度为950℃时，保温10小时；所述的降温阶段是指慢速降温阶段以15℃每小时降温至700℃，再快速降温以30℃每小时降温至室温。
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