CN110900015B - 一种自由曲面光学透镜的多激光复合精密加工方法 - Google Patents

Abstract

本专利涉及光学材料加工设备技术领域，具体是一种自由曲面光学透镜的多激光复合精密加工方法，包括以下步骤：步骤一：确定预制点位置与数量；步骤二：制备曲面预制点，将超快激光焦点通过聚焦***调节聚焦于预制点位置，利用超快激光逐个在光学材料内部制备预制点；步骤三：激光切割，利用连续光纤激光分离装置对光纤激光进行整形，后将光纤激光入射至光学材料内部，并使预制点吸收激光能量在预制点处产生高温区域，随后光纤激光移动，使高温区域跟随激光移动；步骤四：CO₂激光作用于切割分离表面。本方案提供一种完成激光的三维切割，直接产生光学透镜等光学元器件所需的曲面结构，并进行后处理产生粗糙度为纳米量级的光学表面的加工方法。

Description

一种自由曲面光学透镜的多激光复合精密加工方法

技术领域

本发明涉及光学材料加工设备技术领域，具体是一种自由曲面光学透镜的多激光复合精密加工方法。

背景技术

光学透镜由光学材料组成，如光学玻璃、石英、蓝宝石、光学晶体等具有一定折射率的透明光学材料。自由曲面透镜由具有特殊三维结构的光学材料构成，如微透镜阵列、自由曲面棱镜、菲涅尔透镜、环曲面透镜、复眼透镜等，在光学/传感/成像/建筑/汽车等领域具备广泛的应用。

现阶段光学透镜的制备方法，尤其是石英材料透镜的制备，仍然以传统的机械磨抛方法进行，如金刚石刀具划线后掰片分离、锯切、线锯切割等，面临着切割质量差、切割速度慢、工艺流程繁琐、需后续打磨抛光等一系列问题。并且对于某些具有特殊结构的石英材质透镜，如菲涅尔透镜等，其传统的机械制备方法极难实现。

模压制造是光学透镜高精度、高效率制造的有效方法。然而此种方法无法实现光学透镜的高效制备。首先，模压制造仅仅适用于熔点低于600℃低熔点玻璃材料的制备，而对于熔点约为1500℃的石英材料，由于模具材料极难承受如此高温度，导致模压制造很难实现石英材料的模压成形。其次，在某些特殊应用场合，所需要光学玻璃微透镜数量较少，而模压制造需要利用利用机械、电火花等加工方法进行开模，从而实现高精度模具的制备；此开模过程需要极长的周期，且加工成本很高，甚至达几十万元，因此不适用于小批量、定制化光学透镜制备。

激光切割可有效解决现阶段机械切割脆性材料所面临的问题。然而，传统的激光切割分离方法往往仅可进行平面材料的切割分离，其切割分离表面也往往为规则的平面结构，无法切割分离出光学材料所需的自由曲面结构，难以实现光学材料的高质量切割分离。同时，传统的激光切割方法表面粗糙度往往较高，在切割质量较好的情况下其表面粗糙度往往仍在微米量级，极难产生光学透镜所需的粗糙度为纳米量级的光学表面。

发明内容

本发明意在提供一种自由曲面光学透镜的多激光复合精密加工方法，提供一种完成激光的三维切割，直接产生光学透镜等光学元器件所需的曲面结构，并进行后处理产生粗糙度为纳米量级的光学表面的加工方法。

为了达到上述目的，本发明的基础方案如下：

一种自由曲面光学透镜的多激光复合精密加工方法，包括以下步骤：

步骤一：确定预制点位置与数量，根据光学材料的特定三维结构，利用三维软件将复杂曲面结构拟合成若干点；

步骤二：制备曲面预制点，将超快激光焦点通过聚焦***调节聚焦于预制点位置，利用超快激光逐个在光学材料内部制备预制点；

步骤三：激光切割，利用连续光纤激光分离装置对光纤激光进行整形，后将光纤激光入射至光学材料内部，并使预制点吸收激光能量在预制点处产生高温区域，随后光纤激光移动，使高温区域跟随激光移动；

步骤四：CO₂激光作用于切割分离表面。

进一步，所述步骤二中，将光学材料放置在三维运动平台上，利用振镜扫描带动超快激光光束二维运动，配合三维运动平台实现系列预制点的制备。

进一步，所述步骤二中，将光学材料放置在旋转平台上，超快激光焦点上下移动配合旋转平台带动光学材料高速旋转，在光学材料内部制备出系列预制点。

进一步，所述旋转平台下方设有三维运动平台。

进一步，所述步骤三中的连续光纤激光分离装置包括连续光纤激光器、光纤、光纤耦合器、激光扩束镜、聚焦镜和竖直运动机构，所述连续光纤激光器、光纤、光纤耦合器和激光扩束镜依次连接，所述聚焦镜位于激光扩束镜下方，所述聚焦镜固定在竖直运动机构上。

进一步，步骤二中所述的超快激光为皮秒激光或飞秒激光。

本方案的有益效果：(1)本方案可在光学材料内部按需求制备一系列同复杂微纳结构相匹配的预制点，后将连续光纤激光入射至光学材料内部，使预制点吸收激光能量并产生高温区域，随着光纤激光的移动，从而使高温区域跟随激光移动，可在材料内部产生系列预制裂纹并扩展，从而实现光学材料的分离。

(2)本方案由于超快激光所制备的预制点组成了复杂微纳结构，所以分离表面具有同样的复杂微纳结构，从而实现光学材料复杂微纳结构的制备。同时，分离表面所具有的复杂微纳结构可同激光预制点组成二级/多级微纳结构，实现亲/疏水表面、高/低摩擦表面等特殊功能表面制备。

(3)本方案与机械切割方法相比，此方法为非接触式加工，不会使材料切割面产生表面损伤，从而保证加工的质量，并极大的提高了加工效率。

(4)与超快激光材料直接去除的方法相比，本方法采用切割的方法直接制备复杂微纳结构，从而避免了超快激光材料直接去除效率极低的问题，具有极大的实际工业应用价值，可用于复杂微纳结构的批量化加工制备。

(5)本方案将CO2激光作用于切割分离表面，光学材料对CO2激光具有极高的吸收率，从而在材料表面产生极高的温度。此温度将使材料表面产生重熔，从而将超快激光所制备的系列预制点变为光滑区域，获得纳米量级粗糙度表面，达到光学透镜激光的光学质量要求。

附图说明

图1为本发明实施例中步骤二的操作示意图；

图2为本发明实施例中步骤三的操作示意图；

图3为本发明实施例中步骤四的操作示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：光学材料1、旋转平台2、三维运动平台3、超快激光4、光纤激光5、CO₂激光6。

实施例

一种自由曲面光学透镜的多激光复合精密加工方法，包括以下步骤：

步骤一：确定预制点位置与数量，根据光学材料1的特定三维结构，利用三维软件将复杂曲面结构拟合成若干点；

步骤二：制备曲面预制点，结合图1所示，将光学材料1放置在旋转平台2上，所述旋转平台2下方设有三维运动平台3，利用振镜扫描带动超快激光4(皮秒激光或飞秒激光)光束二维运动，超快激光4运动配合旋转平台2带动光学材料1高速旋转以及三维运动平台3的运动，在光学材料1内部制备出系列预制点利用超快激光4逐个在光学材料1内部制备预制点；

步骤三：激光切割，结合图2所示，利用连续光纤激光分离装置对光纤激光5进行整形，后将光纤激光5入射至光学材料1内部，并使预制点吸收激光能量在预制点处产生高温区域，随后光纤激光5移动，使高温区域跟随激光移动；步骤三中的连续光纤激光分离装置包括连续光纤激光器、光纤、光纤耦合器、激光扩束镜、聚焦镜和竖直运动机构，所述连续光纤激光器、光纤、光纤耦合器和激光扩束镜依次连接，所述聚焦镜位于激光扩束镜下方，所述聚焦镜固定在竖直运动机构上。

步骤四：CO₂激光6作用于切割分离表面，结合图3所示，光学材料1对CO₂激光6具有极高的吸收率，从而在材料表面产生极高的温度。此温度将使材料表面产生重熔，从而将超快激光4所制备的系列预制点变为光滑区域，获得纳米量级粗糙度表面。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (5)

1.一种自由曲面光学透镜的多激光复合精密加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：确定预制点位置与数量，根据光学材料的特定三维结构，利用三维软件将复杂曲面结构拟合成若干点；

步骤二：制备曲面预制点，将超快激光焦点通过聚焦***调节聚焦于预制点位置，利用超快激光逐个在光学材料内部制备预制点，将光学材料放置在三维运动平台上，利用振镜扫描带动超快激光光束二维运动，配合三维运动平台实现系列预制点的制备；

步骤三：激光切割，利用连续光纤激光分离装置对光纤激光进行整形，后将光纤激光入射至光学材料内部，并使预制点吸收激光能量在预制点处产生高温区域，随后光纤激光移动，使高温区域跟随激光移动；

步骤四：CO₂激光作用于切割分离表面。

2.根据权利要求1所述的一种自由曲面光学透镜的多激光复合精密加工方法，其特征在于：所述步骤二中，将光学材料放置在旋转平台上，超快激光焦点上下移动配合旋转平台带动光学材料高速旋转，在光学材料内部制备出系列预制点。

3.根据权利要求2所述的一种自由曲面光学透镜的多激光复合精密加工方法，其特征在于：所述旋转平台下方设有三维运动平台。

4.根据权利要求1所述的一种自由曲面光学透镜的多激光复合精密加工方法，其特征在于：所述步骤三中的连续光纤激光分离装置包括连续光纤激光器、光纤、光纤耦合器、激光扩束镜、聚焦镜和竖直运动机构，所述连续光纤激光器、光纤、光纤耦合器和激光扩束镜依次连接，所述聚焦镜位于激光扩束镜下方，所述聚焦镜固定在竖直运动机构上。

5.根据权利要求1-4任一项 所述的一种自由曲面光学透镜的多激光复合精密加工方法，其特征在于：步骤二中所述的超快激光为皮秒激光或飞秒激光。

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