一种基于CO2激光的大口径熔石英元件两步法抛光方法

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一种基于co2激光的大口径熔石英元件两步法抛光方法
技术领域
1.本发明涉及光学元件激光加工技术领域，具体而言，涉及一种基于co2激光的大口径熔石英元件两步法抛光方法。

背景技术：

2.激光惯性约束聚变作为一种理想的供能方式而受到广泛关注，实现惯性约束聚变需要用到高功率固体激光装置，而激光装置的承载能力取决于其内部采用的大口径光学元件的性能，熔石英元件由于其优越的机械化学性能和良好的透光性而广泛应用于高功率固体激光装置中。
3.熔石英材料作为一种典型的硬脆材料，在加工过程中表面会不可避免地引入裂纹、划痕、残余应力和亚表面损伤。这些加工缺陷会降低熔石英元件初始损伤阈值，在高能量、高载荷使用环境下，易诱导元件产生损伤，降低熔石英元件的使用寿命，因此急需一种新型的熔石英光学元件加工手段，以突破熔石英光学元件损伤阈值较低的瓶颈。由于熔石英元件对波长为10.6μm的co2激光的吸收率高，受到co2激光辐照时，其表层数微米深度内的材料将激光能量转化为热量，使得表层材料温度逐渐升高并达到熔融或蒸发状态，实现元件表面的熔融流动或蒸发去除。目前国内外学者主要利用该原理对熔石英元件受激光辐照后产生的损伤点进行修复，可使产生损伤的熔石英元件能够再次使用，然而元件损伤点的产生主要是其本身初始损伤阈值低导致的，因此提升其初始损伤阈值才能从根本上提升熔石英元件的抗激光损伤能力。
4.现有熔石英元件主要通过机械加工和激光加工这两种方式，机械加工操作繁琐且无法保证表面的低粗糙度以及较小的缺陷残留，而激光加工在对大口径熔石英元件加工时，表面残余应力分布不均，这是由于抛光后的假想温度和改性层深度不均导致的，易造成大口径熔石英元件表面产生裂纹，因此需要提供一种能够提升大口径熔石英元件的初始损伤阈值和表面质量的加工工艺。

技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是：
6.为了解决现有大口径熔石英元件通过机械加工操作繁琐且表面有缺陷及粗糙度高，现有激光加工造成表面残余应力分布不均，表面易产生裂纹的问题。
7.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：
8.本发明提供了一种基于co2激光的大口径熔石英元件两步法抛光方法，包括以下步骤：
9.步骤一、将机械磨削后的大口径熔石英元件浸泡在刻蚀溶液中，用于去除表面杂质，再用去离子水进行清洗，获得co2激光抛光前的初始熔石英元件；
10.步骤二、对步骤一的初始熔石英元件进行蒸发式去除抛光，设定蒸发抛光的激光参数并调整抛光起点位置，对初始熔石英元件表面按照设定轨迹进行抛光后，获得蒸发抛
光后熔石英元件；
11.步骤三、将步骤二中得到的蒸发抛光后熔石英元件进行下一步熔融抛光的速度进行优化，以热改性层均匀化为目标，通过有限元仿真得到优化后的优化速度与水平位置关系拟合曲线；
12.步骤四、将步骤三中的优化速度与水平位置关系拟合曲线作为熔融抛光的激光参数，调整抛光起点位置，对蒸发抛光后熔石英元件表面按照设定轨迹进行抛光后，获得熔融抛光后熔石英元件。
13.进一步地，步骤一中得到的初始熔石英元件的表面粗糙度为200nm-300nm。
14.进一步地，将步骤一中得到的初始熔石英元件固定在操作台上，所述操作台上还设有振镜系统、co2激光加工系统、二维x-y移动平台、z轴移动平台、信号发生器和激光调节器，所述二维x-y移动平台可沿x轴方向和y轴方向移动，所述z轴移动平台可沿z轴方向移动，所述初始熔石英元件设置在二维x-y移动平台上，所述振镜系统设置在z轴移动平台上，所述co2激光加工系统与振镜系统连接，所述co2激光加工系统与激光调节器通过信号发生器连接。
15.进一步地，步骤三中，速度优化方法包括以下步骤：
16.①
、通过有限元仿真对冷却后的蒸发抛光后熔石英元件根据热力学温度场演变获取冷却后的假想温度分布；
17.②
、根据
①
中假想温度分布提取改性层与熔石英基体之间的改性层边界曲线，提取改性层边界曲线沿蒸发抛光后熔石英元件的水平方向深度，对不同水平位置的改性层边界曲线的深度进行整合，获得改性层边界深度拟合曲线；
18.③
、对改性层边界深度拟合曲线分析，取中间区域水平处对应的深度值作为改性层理想深度，对于非改性层理想深度的水平位置利用比例优化方法对激光移动速度进行优化求解，得到优化速度与水平位置关系拟合曲线，根据优化速度与水平位置关系拟合曲线对激光抛光中激光的移动速度进行控制，实现对蒸发抛光后熔石英元件的激光变速抛光；
19.④
、将
③
中抛光后的蒸发抛光后熔石英元件重复
①
，若再次得到的假想温度分布沿水平方向分布仍然不均，依次重复步
②
、
③
和
①
，直至获取的假想温度分布沿水平方向分布均匀。
20.进一步地，步骤二，所述蒸发抛光的激光参数包括光斑半径、功率、占空比、重复频率、移动速度、加工轨迹和加工层数，调整功率使初始熔石英元件表面温度大于其汽化温度；步骤四，所述熔融抛光的激光参数包括光斑半径、功率、移动速度、加工轨迹和加工层数，调整功率使蒸发抛光后熔石英元件表面温度高于熔化温度，且低于汽化温度。
21.进一步地，步骤二中，所述蒸发抛光所用的激光为脉冲激光，所述蒸发抛光的抛光轨迹为：以初始熔石英元件的一个边角处为蒸发抛光的抛光起点位置，脉冲激光按照激光参数中的加工轨迹进行移动，抛光完成第一行后，关闭激光并移动至下一行与抛光起点位置对应处继续抛光，重复上述抛光直至第一层表面全部抛光完成，关闭激光并移动至抛光起点位置继续进行第二层抛光，至完成激光参数中的所有加工层数。
22.进一步地，步骤四中，所述熔融抛光所用的激光为连续激光，所述熔融抛光的抛光轨迹为：以蒸发抛光后熔石英元件的一个边角处为熔融抛光的抛光起点位置，连续激光按照激光参数中的加工轨迹进行移动，抛光完成第一行后，关闭激光并移动至下一行与抛光
起点位置对应处继续抛光，重复上述抛光直至第一层表面全部抛光完成，关闭激光并移动至抛光起点位置继续进行第二层抛光，至完成激光参数中的所有加工层数。
23.进一步地，将步骤四获得的熔融抛光后熔石英元件浸泡在刻蚀溶液中浸泡，去掉熔融抛光后熔石英元件表面的改性层后用去离子水清洗，完成大口径熔石英元件的表面加工。
24.进一步地，所述刻蚀溶液为hf酸溶液，通过偏光显微镜观察熔融抛光后熔石英元件表面的改性层在hf酸溶液是否被完全去掉。
25.进一步地，所述脉冲激光和连续激光的抛光间距均为光斑半径的1/2。
26.相较于现有技术，本发明的有益效果是：
27.1、作为非接触式加工，该两步法激光抛光加工方法可使得到的熔石英元件表面粗糙度较低，且无缺陷残留，可替代传统机械抛光成为目前较好的熔石英元件抛光工艺；
28.2、相较于其他材料的单一激光加工方法，本发明方法通过蒸发抛光的方式先对表层缺陷进行去除，再利用熔融抛光降低蒸发式去除得到的表面的粗糙度值，可大幅提升表面质量，降低粗糙度以及表面缺陷；
29.3、用了速度优化方法使得熔融抛光后得到的表面残余应力分布均匀，克服了大口径光学元件由于表面残余应力不均匀导致的产生表面裂纹和变形问题。
附图说明
30.图1为本发明实施例中co2激光加工系统光路图；
31.图2为本发明实施例中种基于co2激光的大口径熔石英元件两步法抛光方法的流程图；
32.图3为本发明实施例中步骤二参数设定及蒸发抛光的流程图；
33.图4为本发明实施例中蒸发抛光的抛光轨迹图；
34.图5为本发明实施例中步骤三的速度优化过程图；
35.图6为本发明实施例中熔融抛光的抛光轨迹图；
36.图7为本发明实施例中抛光间距及脉冲距离示意图。
具体实施方式
37.在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。
38.在本发明的描述中，应当说明的是，在本发明的实施例中所提到的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，并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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。
39.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
40.具体实施方案一：结合图1至图6所示，本发明提供一种基于co2激光的大口径熔石
英元件两步法抛光方法，包括以下步骤：
41.步骤一、将机械磨削后的大口径熔石英元件浸泡在刻蚀溶液中，用于去除表面杂质，再用去离子水进行清洗，获得co2激光抛光前的初始熔石英元件；
42.所述初始熔石英元件的表面粗糙度为200nm-300nm，且表面存在产生表面裂纹或凹坑；
43.步骤二、对步骤一的初始熔石英元件进行蒸发式去除抛光，将初始熔石英元件固定在二维x-y移动平台，设定蒸发抛光的激光参数，包括光斑半径、功率、占空比、重复频率、移动速度、加工轨迹和加工层数，调整功率使初始熔石英元件表面温度大于其汽化温度，并调整抛光起点位置，对初始熔石英元件表面按照设定轨迹进行抛光后，所述蒸发抛光所用的激光为脉冲激光；
44.所述蒸发抛光的抛光轨迹为：以初始熔石英元件的一个边角处为蒸发抛光的抛光起点位置，脉冲激光按照激光参数中的加工轨迹进行移动，抛光完成第一行后，关闭激光并移动至下一行与抛光起点位置对应处继续抛光，重复上述抛光直至第一层表面全部抛光完成，关闭激光并移动至抛光起点位置继续进行第二层抛光，至完成激光参数中的所有加工层数，最终获得蒸发抛光后熔石英元件；
45.所述大口径熔石英元件的汽化温度为2973k；
46.光斑半径：调整振镜系统与元件表面距离，及离焦距离进行调整；
47.功率：调整aom的幅度调整功率；
48.占空比：在信号发生器内调整占空比；
49.重复频率：在aom中进行设置；
50.移动速度、加工轨迹、加工层数：加工系统的软件内设定；
51.步骤三、将步骤二中得到的蒸发抛光后熔石英元件进行下一步熔融抛光的速度进行优化，以热改性层均匀化为目标，通过有限元仿真得到优化后的优化速度与水平位置关系拟合曲线，具体步骤为：
52.①
、通过有限元仿真对冷却后的蒸发抛光后熔石英元件根据热力学温度场演变获取冷却后的假想温度分布；所述热力学温度场演变是由有限元仿真计算得到的实际温度演变，假想温度可由含有热力学温度的常微分方程求得，所述冷却后的假想温度分布为元件最大热力学温度降低至室温(293.15k)时的假想温度分布，所述常微分方程为：
[0053][0054][0055]
上式中，
[0056]
t—热力学温度(k)；
[0057]
tf—假想温度(k)；
[0058]
τ0—弛豫时间常数(s)，值为1.064
×
10-17
(s)；
[0059]
r—理想气体常数，值为8.314(j/(mol
·
k))；
[0060]
δh—活化能(kj/mol)，值为542(kj/mol)；
[0061]
η——热力学温度与假想温度之间的分配系数，值为0.9。
[0062]
所述有限元仿真使用的软件为comsol商业软件，具体步骤如下：
[0063]
1、建立包含传热模块、流体流动模块、结构弛豫模块(即热力学温度与假想温度的常微分方程)、激光变速移动模块的多物理场耦合模型；
[0064]
2、将相关参数补充进模型中；
[0065]
3、对模型进行网格划分和瞬态研究设置；
[0066]
4、运行仿真软件并在结果处对假想温度的分布进行导出。
[0067]
②
、根据步骤一中假想温度分布提取改性层与熔石英基体之间的改性层边界曲线，提取改性层边界曲线沿蒸发抛光后熔石英元件的水平方向深度，对不同水平位置的改性层边界曲线的深度进行整合，获得改性层边界深度拟合曲线；
[0068]
所述改性层边界曲线，为蒸发抛光后熔石英元件内假想温度未转变区域与发生转变区域的交界线，在交界线以上，由于热力学温度的升高导致假想温度发生变化，材料发生改性，即改性层；在交界线以下，由于材料结构弛豫时间极长，材料假想温度恒定不变，即熔石英基体；改性层边界曲线沿蒸发抛光后熔石英元件的水平方向深度为蒸发抛光后熔石英元件表面到改性层边界曲线的垂直距离。co2激光抛光后得到的材料改性层边界示意图如图1所示。
[0069]
③
、对改性层边界深度拟合曲线分析，取中间区域水平处对应的深度值作为改性层理想深度，对于非改性层理想深度的水平位置利用比例优化方法对激光移动速度进行优化求解，得到优化速度与水平位置关系拟合曲线，根据优化速度与水平位置关系拟合曲线对激光抛光中激光的移动速度进行控制，实现对蒸发抛光后熔石英元件的激光变速抛光；
[0070]
所述比例优化方法为：
[0071]
对每个水平位置对应优化速度利用下式进行计算，
[0072][0073]
上式中，
[0074]
xi—第i个点的水平位置；
[0075]vxi
—第i个点的优化速度；
[0076]vave
—优化前匀速抛光的速度；
[0077]yxi
—第i个点改性层深度；
[0078]yave
—改性层理想深度；
[0079]
α—放大系数，初始设定值为1；
[0080]
将获取的每个水平位置对应的优化速度进行整合，从而获取优化速度与水平位置关系拟合曲线。
[0081]
④
、将步骤三中抛光后的蒸发抛光后熔石英元件重复步骤一，若再次得到的假想温度分布沿水平方向分布仍然不均，依次重复步步骤二、步骤三和步骤一，直至获取的假想温度分布沿水平方向分布均匀；
[0082]
判断假想温度分布沿水平方向分布是否均匀的方法为：
[0083]
对经过步骤一至步骤三优化后的改性层深度曲线进行分析，计算相对理想深度以及相对理想深度的波峰波谷差值，所述相对理想深度为改性层深度与改性层理想深度之间最大差值除以理想深度，所述相对理想深度的波峰波谷差值为波峰波谷差值除以理想深
度，若相对理想深度的差值小于或等于10％，则优化后的假想温度分布沿水平方向分布均匀，若相对理想深度的差值大于10％，则优化后的假想温度分布沿水平方向分布不均匀；若相对理想深度的波峰波谷差值小于或等于15％，则优化后的假想温度分布沿水平方向分布均匀，若相对理想深度的波峰波谷差值大于15％，则优化后的假想温度分布沿水平方向分布不均匀。
[0084]
在将提取后的优化后改性层边界深度拟合曲线与优化前的改性层边界深度拟合曲线进行对比时，观察优化前后改性层深度曲线的变化情况，包括左右边界区域改性层深度与改性层理想深度最大差值和整条改性层边界深度拟合曲线波峰与波谷的差值，差值的下降表明优化后的假想温度分布更加均匀；放大系数可以用作调整优化程度的变量，优化结果若不理想，可通过调整放大系数重新进行再次优化；再次优化是将优化后的改性层边界深度拟合曲线作为步骤二优化前的改性层深度拟合曲线再次进行优化，以得到分布更为均匀的假想温度场。
[0085]
选取蒸发抛光后熔石英元件两侧边界区域的改性层深度曲线进行分析。
[0086]
两侧边界区域的宽度为蒸发抛光后熔石英元件整体宽度的1/4-3/8。
[0087]
所述有限元仿真法计算用到的参数设定包括光斑半径、激光功率、激光移速和移动距离。
[0088]
③
中的激光变速抛光中光斑半径、激光功率和移动距离均与有限元仿真法计算用到的光斑半径、激光功率和移动距离相同；
[0089]
步骤四、将步骤三中的优化速度与水平位置关系拟合曲线作为熔融抛光的激光参数，调整抛光起点位置，对蒸发抛光后熔石英元件表面按照设定轨迹进行抛光后，获得熔融抛光后熔石英元件；
[0090]
所述熔融抛光的激光参数包括光斑半径、功率、占空比、移动速度、加工轨迹和加工层数，调整功率使蒸发抛光后熔石英元件表面温度高于熔化温度，且低于汽化温度，所述熔化温度为2273k；
[0091]
光斑半径：调整振镜系统与元件表面距离，及离焦距离进行调整；
[0092]
功率：调整aom的幅度调整功率；
[0093]
移动速度、加工轨迹、加工层数：加工系统的软件内设定；
[0094]
所述熔融抛光所用的激光为连续激光，所述熔融抛光的抛光轨迹为：以蒸发抛光后熔石英元件的一个边角处为熔融抛光的抛光起点位置，连续激光按照激光参数中的加工轨迹进行移动，抛光完成第一行后，关闭激光并移动至下一行与抛光起点位置对应处继续抛光，重复上述抛光直至第一层表面全部抛光完成，关闭激光并移动至抛光起点位置继续进行第二层抛光，至完成激光参数中的所有加工层数。
[0095]
步骤五、将步骤四获得的熔融抛光后熔石英元件浸泡在刻蚀溶液中浸泡，进行长时间深度刻蚀，去掉熔融抛光后熔石英元件表面的改性层后用去离子水清洗，完成大口径熔石英元件的表面加工，所述刻蚀溶液为hf酸溶液，通过偏光显微镜观察熔融抛光后熔石英元件表面的改性层在hf酸溶液是否被完全去掉。由于表面热改性层对光路传输存在影响，且存在较大的应力会导致表面产生裂纹，利用hf酸溶液将表面热改性层刻蚀掉，最终得到表面无缺陷、低粗糙度10.6nm-12.3nm的大口径熔石英元件，经过实验验证机械加工的粗糙度为50nm-60nm，hf酸溶液的刻蚀速度和假想温度有关，假想温度越大刻蚀速度越快，且
刻蚀过程不影响粗糙度。
[0096]
hf酸溶液刻蚀速率与假想温度存在如下关系式：
[0097]retch
＝-0.0276+6.2686(10-5
)tf[0098]
式中，tf——假想温度(k)；
[0099]retch
——hf酸刻蚀速率(μm/min)；
[0100]
基于此可以对刻蚀时间进行计算，得到去掉改性层所需的刻蚀时间。
[0101]
熔融抛光可用于降低大口径熔石英元件的表面粗糙度。
[0102]
作为非接触式加工，该两步法激光抛光加工方法可使得到的熔石英元件表面粗糙度较低，且无缺陷残留，可替代传统机械抛光成为目前较好的熔石英元件抛光工艺；
[0103]
相较于其他材料的单一激光加工方法，本发明方法通过蒸发抛光的方式先对表层缺陷进行去除，再利用熔融抛光降低蒸发式去除得到的表面的粗糙度值，可大幅提升表面质量，降低粗糙度以及表面缺陷；本方案未将熔融抛光作为单一加工方法是考虑到仅用熔融抛光虽然可以将熔石英元件表面的产生表面裂纹和凹陷填满，但在操作过程中发现容易使得熔石英元件的表面和亚表面产生气泡，非但没有提高熔石英元件的工艺质量反而产生了下降，因此选用本方案的两步法进行加工；
[0104]
将本方案确定后的优化速度与水平位置关系拟合曲线应用至可实现变速移动激光装置，实现对大口径熔石英元件的优化处理，因而该速度优化方法利于实际工程应用；
[0105]
该方法具有可迭代性，可通过逐步优化使假想温度分布逼近均匀分布状态，最终得到表面残余应力均匀分布的理想元件，理想元件的假想温度和残余应力均匀，不会影响光路的传输或导致元件产生较大的变形或产生表面裂纹；
[0106]
采用假想温度均匀分布作为优化目标，由于加工后的大口径熔石英元件表面残余应力分布难以测量，从仿真结果看残余应力分布复杂，没有明显的规律，很难将残余应力作为优化目标进行加工参数的优化，相较于直接以残余应力均匀分布作为优化目标，本方法降低了优化过程的复杂程度，为co2激光抛光大口径熔石英元件工艺的工程应用提供优化方法。
[0107]
优选地，如图1所示，将步骤一中得到的初始熔石英元件固定在操作台上，所述操作台上还设有振镜系统、co2激光加工系统、二维x-y移动平台、z轴移动平台、信号发生器和激光调节器，所述二维x-y移动平台可沿x轴方向和y轴方向移动，所述z轴移动平台可沿z轴方向移动，所述初始熔石英元件设置在二维x-y移动平台上，所述振镜系统设置在z轴移动平台上，所述co2激光加工系统与振镜系统连接，所述co2激光加工系统与激光调节器通过信号发生器连接，整套加工系统可实现对430mm
×
430mm大口径熔石英元件的co2激光抛光；振镜系统位于z轴移动平台上，可通过移动调整z轴移动平台与二维x-y移动平台的间距进而调整沉积在光学元件表面的光斑大小；co2激光加工系统实现co2激光光路的传输，进而实现对大口径熔石英元件的表面抛光；二维x-y轴移动平台可在平面内实现对大口径熔石英元件扫描运动。
[0108]
优选地，所述脉冲激光和连续激光的抛光间距均为光斑半径的1/2，所述脉冲激光的脉冲宽度＝占空比/重复频率。
[0109]
具体实施方案二：结合图7所示，本发明提供了一种co2激光两步法抛光熔石英光学元件加工方法，根据前述实施步骤，对熔石英元件进行表面co2激光两步法抛光加工。
[0110]
1)激光加工酸刻蚀前处理
[0111]
对机械粗磨得到的康宁7980熔石英元件表面进行hf酸溶液刻蚀处理，酸刻蚀是通过化学反应去除光学元件表面和亚表面残留的杂质和污染物，去除或钝化元件表面和亚表面缺陷，从而保证激光抛光前元件表面的光洁程度。酸刻蚀后用去离子水对表面残留溶液进行清洗，得到无杂质的初始熔石英元件。
[0112]
2)co2激光蒸发式去除抛光
[0113]
将初始熔石英元件装夹固定在二维x-y移动平台上，通过调整x-y位置坐标，将光斑中心定位到抛光起点位置，调整振镜系统与初始熔石英元件间的距离以调整离焦距离，使激光光斑半径调整为45μm。蒸发抛光过程中的加工参数如表1所示，表1为经过实验证明加工效果较好的一组加工数据，运用该参数加工得到的大口径熔石英元件表面质量较好，其中脉冲距离及抛光间距如图7所示。相关参数及抛光轨迹均在装置系统中设置完成。
[0114]
表1 co2激光蒸发抛光加工参数表
[0115][0116][0117]
控制激光器开启激光后按照既定轨迹和加工层数对初始熔融石英元件表面进行蒸发抛光，经过加工后，熔石英元件表层及亚表层缺陷得到去除。
[0118]
3)co2激光熔融抛光速度优化
[0119]
通过有限元仿真，对熔融抛光过程采用的激光移动速度进行优化。提取仿真得到的改性层深度分布，对速度进行反求，并将优化得到的优化速度与水平位置关系拟合曲线导入控制软件中，完成激光移动速度的优化与设定。
[0120]
4)co2激光熔融抛光
[0121]
调整蒸发抛光后熔石英元件抛光起点位置，调整振镜系统与元件间的距离以调整离焦距离，将激光光斑半径调整为0.5mm，采用的激光功率、抛光间距及抛光次数与表1中数据相同。控制激光器开启激光后，按照设定轨迹和加工层数对熔石英元件表面进行熔融抛光，实现表面的熔融抛光。
[0122]
5)hf酸刻蚀去除改性层
[0123]
将冷却后的熔融后熔石英元件从二维x-y移动平台上取下并浸入到hf酸溶液中，由于热改性层相较于基体材料的刻蚀速度很快，可由此实现表面热改性层的刻蚀去除。刻蚀后的表面经过去离子水的清洗，测得的表面粗糙度为10.6nm。
[0124]
上述实验步骤使用本发明的co2激光两步法抛光大口径熔石英元件，最终得到了表面质量较好，且无缺陷裂纹的熔石英元件，可为熔石英元件的co2激光抛光提供重要的加工方法。
[0125]
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本发明领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种基于co2激光的大口径熔石英元件两步法抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将机械磨削后的大口径熔石英元件浸泡在刻蚀溶液中，用于去除表面杂质，再用去离子水进行清洗，获得co2激光抛光前的初始熔石英元件；步骤二、对步骤一的初始熔石英元件进行蒸发式去除抛光，设定蒸发抛光的激光参数并调整抛光起点位置，对初始熔石英元件表面按照设定轨迹进行抛光后，获得蒸发抛光后熔石英元件；步骤三、将步骤二中得到的蒸发抛光后熔石英元件进行下一步熔融抛光的速度进行优化，以热改性层均匀化为目标，通过有限元仿真得到优化后的优化速度与水平位置关系拟合曲线；步骤四、将步骤三中的优化速度与水平位置关系拟合曲线作为熔融抛光的激光参数，调整抛光起点位置，对蒸发抛光后熔石英元件表面按照设定轨迹进行抛光后，获得熔融抛光后熔石英元件。2.根据权利要求1所述的一种基于co2激光的大口径熔石英元件两步法抛光方法，其特征在于：步骤一中得到的初始熔石英元件的表面粗糙度为200nm-300nm。3.根据权利要求2所述的一种基于co2激光的大口径熔石英元件两步法抛光方法，其特征在于：将步骤一中得到的初始熔石英元件固定在操作台上，所述操作台上还设有振镜系统、co2激光加工系统、二维x-y移动平台、z轴移动平台、信号发生器和激光调节器，所述二维x-y移动平台可沿x轴方向和y轴方向移动，所述z轴移动平台可沿z轴方向移动，所述初始熔石英元件设置在二维x-y移动平台上，所述振镜系统设置在z轴移动平台上，所述co2激光加工系统与振镜系统连接，所述co2激光加工系统与激光调节器通过信号发生器连接。4.根据权利要求3所述的一种基于co2激光的大口径熔石英元件两步法抛光方法，其特征在于，步骤三中，速度优化方法包括以下步骤：步骤一、通过有限元仿真对冷却后的蒸发抛光后熔石英元件根据热力学温度场演变获取冷却后的假想温度分布；步骤二、根据步骤一中假想温度分布提取改性层与熔石英基体之间的改性层边界曲线，提取改性层边界曲线沿蒸发抛光后熔石英元件的水平方向深度，对不同水平位置的改性层边界曲线的深度进行整合，获得改性层边界深度拟合曲线；步骤三、对改性层边界深度拟合曲线分析，取中间区域水平处对应的深度值作为改性层理想深度，对于非改性层理想深度的水平位置利用比例优化方法对激光移动速度进行优化求解，得到优化速度与水平位置关系拟合曲线，根据优化速度与水平位置关系拟合曲线对激光抛光中激光的移动速度进行控制，实现对蒸发抛光后熔石英元件的激光变速抛光；步骤四、将步骤三中抛光后的蒸发抛光后熔石英元件重复步骤一，若再次得到的假想温度分布沿水平方向分布仍然不均，依次重复步步骤二、骤三和步骤一，直至获取的假想温度分布沿水平方向分布均匀。5.根据权利要求4所述的一种基于co2激光的大口径熔石英元件两步法抛光方法，其特征在于：步骤二中，所述蒸发抛光的激光参数包括光斑半径、功率、占空比、重复频率、移动速度、加工轨迹和加工层数，调整功率使初始熔石英元件表面温度大于其汽化温度；步骤四中，所述熔融抛光的激光参数包括光斑半径、功率、移动速度、加工轨迹和加工层数，调整功率使蒸发抛光后熔石英元件表面温度高于熔化温度，且低于汽化温度。
6.根据权利要求5所述的一种基于co2激光的大口径熔石英元件两步法抛光方法，其特征在于，步骤二中，所述蒸发抛光所用的激光为脉冲激光，所述蒸发抛光的抛光轨迹为：以初始熔石英元件的一个边角处为蒸发抛光的抛光起点位置，脉冲激光按照激光参数中的加工轨迹进行移动，抛光完成第一行后，关闭激光并移动至下一行与抛光起点位置对应处继续抛光，重复上述抛光直至第一层表面全部抛光完成，关闭激光并移动至抛光起点位置继续进行第二层抛光，至完成激光参数中的所有加工层数。7.根据权利要求6所述的一种基于co2激光的大口径熔石英元件两步法抛光方法，其特征在于，步骤四中，所述熔融抛光所用的激光为连续激光，所述熔融抛光的抛光轨迹为：以蒸发抛光后熔石英元件的一个边角处为熔融抛光的抛光起点位置，连续激光按照激光参数中的加工轨迹进行移动，抛光完成第一行后，关闭激光并移动至下一行与抛光起点位置对应处继续抛光，重复上述抛光直至第一层表面全部抛光完成，关闭激光并移动至抛光起点位置继续进行第二层抛光，至完成激光参数中的所有加工层数。8.根据权利要求7所述的一种基于co2激光的大口径熔石英元件两步法抛光方法，其特征在于：将步骤四获得的熔融抛光后熔石英元件浸泡在刻蚀溶液中浸泡，去掉熔融抛光后熔石英元件表面的改性层后用去离子水清洗，完成大口径熔石英元件的表面加工。9.根据权利要求8所述的一种基于co2激光的大口径熔石英元件两步法抛光方法，其特征在于：所述刻蚀溶液为hf酸溶液，通过偏光显微镜观察熔融抛光后熔石英元件表面的改性层在hf酸溶液是否被完全去掉。10.根据权利要求9所述的一种基于co2激光的大口径熔石英元件两步法抛光方法，其特征在于：所述脉冲激光和连续激光的抛光间距均为光斑半径的1/2。

技术总结

本发明提供了一种基于CO2激光的大口径熔石英元件两步法抛光方法，属于光学元件激光加工技术领域。为了解决现有大口径熔石英元件通过机械加工操作繁琐且表面有缺陷及粗糙度高，现有激光加工造成表面残余应力分布不均，表面易产生裂纹的问题。本发明根据熔石英材料与CO2激光相互作用机理，为提升大口径熔石英元件的初始损伤阈值、提升元件表面质量，提出CO2激光两步法抛光大口径熔石英元件的加工方法，包括表面缺陷的蒸发抛光和表面熔融抛光，最终实现大口径熔石英元件的表面加工。可大幅提升表面质量，降低粗糙度以及表面缺陷；克服了大口径光学元件由于表面残余应力不均匀导致的产生表面裂纹和变形问题。产生表面裂纹和变形问题。产生表面裂纹和变形问题。