[发明专利]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

说明书

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。

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

大口径光学系统具有角分辨率高、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系统的关键元件，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、传导光纤和光路系统；

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，光路系统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，并经光路系统后入射至待加工光学元件的表面；

所述光路系统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；