CN114193468A - 一种用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置及方法，属于精密光学加工领域。将超快激光辅助研抛盘安装在数控机械臂末端，超快激光脉冲通过光纤传导至研抛盘中心开孔处，经过锥透镜整形为贝塞尔光束垂直入射工件表面；在研抛过程中，超快激光随研抛盘在光学元件表面同步运动，并利用扫描振镜使工件表面快速形成粗糙的微纳复合结构，在此基础上研抛盘绕偏心轴转动，带动磨料颗粒在具有疏松微纳复合结构的工件表面运动，从而大幅提升机械研抛的材料去除效率，同时能有效减小机械抛光产生的残余应力、裂纹和划痕等缺陷，实现大口径光学元件的高效、高质量研抛。
Description
技术领域
本发明属于精密光学加工技术领域，特别涉及一种用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置及方法。
背景技术
大口径光学***具有角分辨率高、能量收集能力强的特点，被广泛应用于天文观测和空间遥感等领域。大口径光学元件作为光学***的关键元件，加工工艺复杂，加工周期长，是各国投入大量资金和人力物力研发的关键技术之一。大口径光学元件的加工步骤一般包括铣磨、研磨和抛光。在研磨阶段，目前应用较为成熟的技术是利用多自由度数控机械臂带动研抛盘在工件表面做接触运动，完成确定性去除。其中，研磨颗粒和工件表层材料的机械摩擦是材料去除的主要机理。然而，对于以SiC等硬脆材料为主的第三代光学元件，该方法材料去除效率低，且易导致工件表层产生残余应力、裂纹和划痕等质量缺陷，成为限制光学加工效率的重要瓶颈，在针对大口径、大偏离量的非球面光学元件加工中尤为明显。因此，亟需改进现有的研抛装置，提升加工效率并避免质量缺陷。
发明内容
本发明的目的是：解决上述现有大口径光学元件研抛装置及方法的不足，通过复合超快激光，提出一种用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置及方法，从而实现大口径光学元件的高效、高质量研抛。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置，包括数控机械臂、研抛盘、超快激光器、传导光纤和光路***；
所述研抛盘安装在数控机械臂的末端，由数控机械臂带动研抛盘按预定轨迹和驻留时间在待加工光学元件的表面运动，研抛盘在扫描运动的同时可绕研抛盘偏心轴旋转，从而带动磨料颗粒在待加工光学元件的表面运动，实施材料的去除；
所述研抛盘加工有下端开放的中空腔体结构，光路***安装于中空腔体结构中，超快激光器产生的超快激光由传导光纤传导至研抛盘的中空腔体结构，并经光路***后入射至待加工光学元件的表面；
所述光路***包括由上至下安装的衰减片、锥透镜、扫描振镜和聚焦镜；所述衰减片用于调节超快激光的能量密度，从而控制单次加工深度；所述锥透镜用于将超快激光器输出的高斯光束整形成贝塞尔光束，增加脉冲的有效焦深，并降低光束传播过程中障碍物对光束传播的影响；所述扫描振镜用于使激光光束对工件表面局部区域进行扫描加工，所述聚焦镜用于聚焦激光光束，使贝塞尔光束入射至工件表面，从而使工件表层形成微纳复合结构。
第二方面，一种用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛方法，包括如下步骤：
(1)首先将清洗干燥后的待加工光学元件固定在工件台上；将研抛盘固定在数控机械臂末端，设置超快激光参数；
(2)根据检测得到的待加工光学元件的面形误差，确定研抛盘在待加工光学元件不同位置的驻留加工时间，结合加工需求设置数控机械臂参数，并输入数控机械臂控制端；
(3)开始加工前在待加工光学元件表面均匀涂覆研抛液，即含有磨料颗粒的悬浮液；
(4)完成数控机械臂对刀等准备工序后，运行数控机械臂加工程序，同时开启超快激光器；数控机械臂带动研抛盘在待加工光学元件表面做偏心转动，超快激光器发射的激光脉冲经整形和聚焦后辐照在待加工光学元件表面，并由扫描振镜实现对研抛盘开孔区域内的快速扫描，使反射镜表面产生质地疏松的微纳复合结构；磨料颗粒与微纳复合结构相互摩擦、挤压、碰撞，实现待加工光学元件表面材料的去除；
(5)依据需求，逐渐减小磨料颗粒尺寸和激光通量，并重复步骤(4)，直至面形精度达到要求。
根据本发明提供的一种用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置及方法，具有以下有益效果：
(1)根据本发明提供的一种用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置及方法，采用超快激光作为新型加工工具，具有无接触加工、热影响区小、加工精度高且可控等独特优势，使光学元件(主要为SiC等硬脆材料)表面形成疏松的微纳复合结构的同时，不会使光学元件内部产生热累积、残余应力、裂纹等缺陷，当研抛盘带动磨料颗粒在形成微纳复合结构的光学元件表面运动时可以快速去除光学元件的表层材料，材料去除效率大幅提高，从而缩短光学元件的研抛周期。
(2)根据本发明提供的一种用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置及方法，光路***中设计有锥透镜，将超快激光器输出的脉冲从高斯光束整形成贝塞尔光束，采用空间整形的贝塞尔光束辐照工件表面可以最大程度避免磨料颗粒对光束传播的影响，既能保证激光对工件表面的加工效果，也不会影响磨料颗粒的数量和加工效果。贝塞尔光束有效焦深不小于10μm，确保了对不同曲率变化的表面均有加工效果。
(3)根据本发明提供的一种用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置及方法，超快激光辐照工件表面时瞬间形成向材料内部传播的应力波，使得材料在应力波的冲击强化作用下抗疲劳性能得以提升。
(4)根据本发明提供的一种用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置及方法，参数调节灵活，通过控制激光加工深度，可精确控制单次研抛去除深度，通过不断减小激光加工深度和磨料颗粒直径，可逐步提高研抛精度，实现面形收敛。
附图说明
图1为本发明中一种用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置的结构示意图；
图2为传统研抛(左)与超快激光辅助研抛(右)的原理示意图；
图3为反射镜研抛前效果图；
图4为反射镜研抛后效果图。
附图标号说明
1-数控机械臂，2-超快激光器，3-传导光纤，4-衰减片，5-锥透镜，6-扫描振镜，7-聚焦镜，8-研抛盘，9-待加工光学元件，10-工件台，11-磨料颗粒，12-传统研抛产生的裂纹等缺陷，13-超快激光在光学元件表面辐照后产生的微纳复合结构，14-超快激光脉冲，光束沿虚线箭头方向传播，研抛盘沿实线箭头方向平移并绕其偏心轴转动。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置，如图1所示，包括数控机械臂1、研抛盘8、超快激光器2、传导光纤3和光路***；所述研抛盘8安装在数控机械臂1的末端，由数控机械臂1带动研抛盘8按预定轨迹和驻留时间在待加工光学元件9的表面运动，研抛盘8在扫描运动的同时可绕研抛盘偏心轴旋转，从而带动磨料颗粒11在待加工光学元件9的表面运动，实施材料的去除；所述研抛盘8加工有下端开放的中空腔体结构，光路***安装于中空腔体结构中，超快激光器2产生的超快激光由传导光纤3传导至研抛盘8的中空腔体结构，并经光路***后入射或垂直入射至待加工光学元件9的表面。光路***包括由上至下安装的衰减片4、锥透镜5、扫描振镜6和聚焦镜7；所述衰减片4用于调节超快激光的能量密度，从而控制单次加工深度；所述锥透镜5用于将超快激光器2输出高斯光束整形成贝塞尔光束，增加脉冲的有效焦深，并降低光束传播过程中障碍物对光束传播的影响(即最大程度减小磨料颗粒对激光脉冲传播的影响)；所述扫描振镜6用于使激光光束对工件表面局部区域进行快速扫描加工，所述聚焦镜7用于聚焦激光光束，使贝塞尔光束入射或垂直入射至工件表面，从而使工件表层形成具有一定深度(微米-亚微米级)的微纳复合结构。通过调整光路***中衰减片4，确定适当的激光能量密度，使其仅对工件材料(SiC)产生加工作用，而几乎不烧蚀磨料颗粒11。当研抛盘8随机械臂在工件表面运动时，被超快激光辐照后的工件表面进入研抛盘8的覆盖区域。由于具有微纳复合结构的表面质地疏松，使得磨料颗粒11可以快速去除激光辐照区域的工件表层材料。在此过程中将研抛盘8的外加压力应明显小于传统机械研抛所需的压力，使磨料颗粒11能去除激光辐照区域的表层材料即可，从而避免机械研抛带来的残余应力和裂纹等缺陷，如图2所示。
本发明中，“大口径光学元件”，为口径＞500mm的平面、球面、非球面等空间光学元件。
本发明中，“超快激光”，是指输出激光的脉冲宽度在皮秒级别，或小于皮秒级别的脉冲激光。
在一种优选的实施方式中，所述待加工光学元件9为碳化硅(SiC)等硬脆型空间光学材料。
在一种优选的实施方式中，所述超快激光器2为光纤激光器，其输出脉冲的中心波长为800～1024nm，脉宽小于10ps，工作频率为0.1～1MHz。
在一种优选的实施方式中，所述光路***中衰减片4的规格满足使超快激光的能量密度介于待加工光学元件9材料(SiC等)击穿阈值与磨料颗粒11(金刚石等)击穿阈值之间，仅对待加工光学元件产生加工效果，而不烧蚀磨料颗粒。
在一种优选的实施方式中，所述光路***中锥透镜5的规格满足使整形得到的贝塞尔光束有效焦深不小于10μm，确保对不同曲率变化的表面均有加工效果。
在一种优选的实施方式中，所述超快激光经由所述锥透镜和所述扫描振镜使工件表面局部区域快速产生粗糙的微纳复合结构，单次扫描面积小于研抛盘中心开孔尺寸，优选为10*10mm2～40*40mm2。
在一种优选的实施方式中，所述超快脉冲经由扫描振镜及相关光路实现工件表面的快速扫描和自动对焦，研抛过程中扫描振镜6确定的激光光束的扫描轨迹与研抛盘8的扫描轨迹相同。
在一种优选的实施方式中，所述研抛盘绕偏心轴转动带动磨料颗粒在工件表面运动。所述研抛盘8施加的压力需满足磨料颗粒11可去除激光辐照后的工件表层材料，由于激光辐照后工件表面产生的微纳结构质地疏松，研抛盘8施加的压力明显小于传统机械研抛所需的压力，使得磨料颗粒能够快速去除工件表层材料，材料去除效率远超传统机械研抛效率，且避免了机械研抛带来的残余应力和裂纹等缺陷。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛方法，采用第一方面所述的用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置实施，研抛原理如下：由于超快激光具有极高的瞬时功率，因此超快激光几乎可以加工任何超硬材料。同时，超快激光加工具有无接触，热影响区小，加工精度高，无裂纹等独特优势，并且超快激光加工具有明确的阈值效应，因此加工面积和加工深度与加工参数存在确定性关系。当超快激光辐照光学元件表面时(以SiC为例)，材料表面通过非线性电离瞬间产生大量自由电子，并向外喷发高温等离子体，最终在材料表明形成质地疏松的微纳复合结构。由于超快激光的超短脉宽，在超快激光加工过程中材料内晶格与电子之间处于非平衡态，因而不会对材料基体产生热影响，能有效避免裂纹的形成。当研抛盘带动磨料颗粒在形成微纳复合结构的工件表面运动时可以快速去除光学元件的表层材料，材料去除效率大幅提高，从而缩短光学元件的研抛时间。通过不断减小激光加工深度和磨料颗粒直径，可逐步提高研抛精度，实现面形收敛。
具体地超快激光辅助研抛方法包括如下步骤：
(1)首先将清洗干燥后的待加工光学元件9(如反射镜)固定在工件台10上；将研抛盘8固定在数控机械臂1末端，设置激光参数；
(2)根据检测得到的待加工光学元件9的面形误差，确定研抛盘8在待加工光学元件9不同位置的驻留加工时间，结合加工需求设置数控机械臂参数，包括扫描轨迹、压力等，并输入数控机械臂控制端；
(3)开始加工前在待加工光学元件9表面均匀涂覆研抛液，即含有磨料颗粒的悬浮液，磨料颗粒尺寸在15～3μm；
(4)完成数控机械臂对刀等准备工序后，运行数控机械臂加工程序，同时开启超快激光器2；当数控机械臂1带动研抛盘8在待加工光学元件9表面做偏心转动时，超快激光器2发射的激光脉冲经整形和聚焦后辐照在待加工光学元件9表面，并由扫描振镜实现对研抛盘开孔区域内的快速扫描，使待加工光学元件9表面产生质地疏松的微纳复合结构。同时，激光扫描区域也随研抛盘的偏心转动同步变化，并且激光脉冲辐照时间与研抛盘驻留时间基本吻合。因此，激光脉冲在扫描振镜和研抛盘的共同作用下可以实现对待加工光学元件9全口径内的辐照效果。受研抛盘不同驻留时间的影响，待加工光学元件9表面单位面积内所辐照的脉冲数与该位置处面形误差呈正相关，即单位面积内激光导致的材料去除量与该位置处面形误差呈相关。由于研抛盘在机械臂带动下进行同步的偏心转动和平移，当其作用于激光辐照后的待加工光学元件9表面时，磨料颗粒与微纳复合结构相互摩擦、挤压、碰撞，在较小的机械力作用下即可实现待加工光学元件9表面材料的快速去除；
(5)依据需求，逐渐减小磨料颗粒尺寸和激光通量，并重复步骤(4)，直至面形精度达到要求。
实施例
实施例1
实验过程中采用的超快激光器2的参数如下：中心波长为800nm，脉冲宽度小于10ps，工作频率为1MHz，待加工光学元件9为SiC反射镜(已铣磨，口径为505mm，凹非球面，PV(波峰-波谷)＞13λ@632.8nm)。具体步骤如下：
(1)首先将清洗干燥后的SiC反射镜固定在工件台10上；将研抛盘8固定在数控机械臂1末端，设置激光参数：激光通量0.1～10.0J/cm2，扫描速度10-100mm/s。
(2)根据检测得到的反射镜面形误差，确定研抛盘8在反射镜不同位置的驻留加工时间，结合加工需求设置数控机械臂其他参数(扫描轨迹、压力等)，并输入数控机械臂控制端。
(3)开始加工前在反射镜表面均匀涂覆研抛液，即金刚石磨料颗粒悬浮液，磨料颗粒尺寸在15～3μm，依据加工精度逐渐减小磨料颗粒尺寸。
(4)完成数控机械臂对刀等准备工序后，运行数控机械臂加工程序，同时开启超快激光器2。当数控机械臂1带动研抛盘8在反射镜表面做偏心转动时，超快激光器2发射的激光脉冲经整形和聚焦后辐照在反射镜表面，并由扫描振镜实现对研抛盘开孔区域内的快速扫描，使反射镜表面产生质地疏松的微纳复合结构。同时，激光扫描区域也随研抛盘的偏心转动同步变化，并且激光脉冲辐照时间与研抛盘驻留时间基本吻合。因此，激光脉冲在扫描振镜和研抛盘的共同作用下可以实现对反射镜全口径内的辐照效果。受研抛盘不同驻留时间的影响，反射镜表面单位面积内所辐照的脉冲数与该位置处面形误差呈正相关，即单位面积内激光导致的材料去除量与该位置处面形误差呈相关。由于研抛盘在机械臂带动下进行同步的偏心转动和平移，当其作用于激光辐照后的反射镜表面时，磨料颗粒与微纳复合结构相互摩擦、挤压、碰撞，在较小的机械力作用下即可实现反射镜表面材料的快速去除。
(5)依据需求，逐渐减小磨料颗粒尺寸和激光通量，并重复步骤(4)，直至面形精度达到要求。由于超快激光辐照产生的热影响区极小，并且研抛盘的正向压力小于传统机械研抛的压力，因此研抛盘去除掉反射镜表层的疏松材料后，基底材料几乎不产生微裂纹等缺陷，可以快速进入精抛等后续工序。在相同的加工时间内，采用本装置及方法可以实现SiC反射镜表面材料的高效去除，同时保证了加工后的表面质量，有助于面形精度的高效收敛。本实施例中最终加工面形精度PV＜3λ@632.8nm，RMS(均方根)＜1/6λ@632.8nm，研抛前后效果分别如图3和图4所示。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置，其特征在于，包括数控机械臂(1)、研抛盘(8)、超快激光器(2)、传导光纤(3)和光路***；
所述研抛盘(8)安装在数控机械臂(1)的末端，由数控机械臂(1)带动研抛盘(8)按预定轨迹和驻留时间在待加工光学元件(9)的表面运动，研抛盘(8)在扫描运动的同时可绕研抛盘偏心轴旋转，从而带动磨料颗粒(11)在待加工光学元件(9)的表面运动，实施材料的去除；
所述研抛盘(8)加工有下端开放的中空腔体结构，光路***安装于中空腔体结构中，超快激光器(2)产生的超快激光由传导光纤(3)传导至研抛盘(8)的中空腔体结构，并经光路***后入射至待加工光学元件(9)的表面；
所述光路***包括由上至下安装的衰减片(4)、锥透镜(5)、扫描振镜(6)和聚焦镜(7)；所述衰减片(4)用于调节超快激光的能量密度，从而控制单次加工深度；所述锥透镜(5)用于将超快激光器(2)输出的高斯光束整形成贝塞尔光束，增加脉冲的有效焦深，并降低光束传播过程中障碍物对光束传播的影响；所述扫描振镜(6)用于使激光光束对工件表面局部区域进行扫描加工，所述聚焦镜(7)用于聚焦激光光束，使贝塞尔光束入射至工件表面，从而使工件表层形成微纳复合结构。
2.根据权利要求1所述的用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置，其特征在于，所述超快激光器(2)为光纤激光器，其输出脉冲的中心波长为800～1024nm，脉宽小于10ps，工作频率为0.1～1MHz。
3.根据权利要求1所述的用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置，其特征在于，所述衰减片(4)的规格满足使超快激光的能量密度介于待加工光学元件(9)材料击穿阈值与磨料颗粒(11)击穿阈值之间。
4.根据权利要求1所述的用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置，其特征在于，所述光路***中锥透镜(5)的规格满足使整形得到的贝塞尔光束有效焦深不小于10μm。
5.根据权利要求1所述的用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置，其特征在于，所述扫描振镜(6)使激光光束的单次扫描面积小于研抛盘中心开孔尺寸。
6.根据权利要求1所述的用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置，其特征在于，研抛过程中扫描振镜(6)确定的激光光束的扫描轨迹与研抛盘的扫描轨迹相同。
7.根据权利要求1所述的用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛装置，其特征在于，所述研抛盘(8)施加的压力满足使磨料颗粒(11)去除激光辐照后的工件表层材料。
8.一种用于大口径光学元件的超快激光辅助研抛方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)，首先将清洗干燥后的待加工光学元件(9)固定在工件台(10)上；将研抛盘(8)固定在数控机械臂(1)末端，设置超快激光参数；
步骤(2)，根据检测得到的待加工光学元件(9)的面形误差，确定研抛盘(8)在待加工光学元件(9)不同位置的驻留加工时间，结合加工需求设置数控机械臂参数，并输入数控机械臂控制端；
步骤(3)，开始加工前在待加工光学元件(9)表面均匀涂覆研抛液，即含有磨料颗粒的悬浮液；
步骤(4)，完成数控机械臂对刀等准备工序后，运行数控机械臂加工程序，同时开启超快激光器(2)；数控机械臂(1)带动研抛盘(8)在反射镜表面做偏心转动，超快激光器(2)发射的激光脉冲经整形和聚焦后辐照在待加工光学元件(9)表面，并由扫描振镜实现对研抛盘开孔区域内的扫描，使待加工光学元件(9)表面产生质地疏松的微纳复合结构；磨料颗粒与微纳复合结构相互摩擦、挤压、碰撞，实现待加工光学元件(9)表面材料的去除；
步骤(5)，依据需求，逐渐减小磨料颗粒尺寸和激光通量，并重复步骤(4)，直至面形精度达到要求。
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- 2021-12-10 CN CN202111505986.4A patent/CN114193468A/zh active Pending
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