[发明专利]一种利用磁场辅助激光高精度表面抛光的装置及方法

说明书

本发明涉及工程机械领域，特别是涉及一种利用磁场辅助激光高精度表面抛光的装置及方法，包括激光器、扩束镜、振镜、场镜、电磁线圈和铁芯；激光器用于产生激光；扩束镜置于激光器的出光口，用于获得准直激光光束；振镜置于扩束镜的出光口，用于偏转准直激光光束，且振镜的出光口朝下；场镜置于振镜的出光口，用于获得高功率密度光斑；高功率密度光斑用于在微米尺度的范围内产生极高热量，以对工件表面进行高精度抛光；电磁线圈置于场镜的下方，用于产生可调节磁感应强度的磁场；铁芯置于电磁线圈的中心，用于增强电磁线圈产生的磁场。本发明针对性地抑制了不同导电性质工件进行激光抛光过程中的马兰戈尼效应对抛光表面的影响。

技术领域

本发明属于激光抛光技术领域，更具体地，涉及一种利用磁场辅助激光高精度表面抛光的装置及方法。

背景技术

单晶硅是一种性能优异的半导体材料，从大规模集成电路、航空航天元件到红外扫描相机、热成像装置等军用装备，都是以超光滑单晶硅表面为基础。作为光学元件的单晶硅，首先要通过金刚石车削将单晶硅表面加工至纳米级粗糙度。但由于车削过程中主轴的旋转运动和车刀的进给运动，加工轨迹为螺旋线，在表面不可避免的产生车刀纹，宏观表现为彩虹纹，导致光的散射和衍射，影响光学系统的成像质量。除此之外，由于接触式加工，金刚石车削产生的亚表面损伤也很大程度决定了光学元件的工作状况以及使用寿命。

抛光是最常用的改善光学表面质量的方法，包括了离子束抛光、射流抛光、磁流变抛光、气囊抛光、激光抛光等多种抛光方法。激光抛光因其具有高效率，无损伤，绿色环保的优势，得到了广泛的应用。激光抛光技术可以基于表面张力实现超光滑表面的抛光并修复亚表面损伤。但马兰戈尼效应会造成材料在熔池边缘堆积，使得以表面张力为主导的抛光效果有所减弱。而且随着表面粗糙度的减小，马兰戈尼效应会更加明显。传统的激光抛光存在着一个表面质量抛光极限。

单晶硅在融化之后导电率为7.75×10^-5Ω·cm，与固体相比，导电性能进一步增强。导体材料或半导体材料在熔化后，由于熔池的流动产生电流，施加磁场将增加熔池流动的阻力，从而调控熔池的流动，以及受流动影响的结晶过程。于是，基于磁场抑制马兰戈尼效应的原理，提出用磁场辅助的方式进行激光抛光，整个过程既保留了激光抛光高效率，无损伤，无污染的特点，又能抑制马兰戈尼效应，实现了超光滑表面的抛光。因此，设计一种专门抑制激光抛光过程中马兰戈尼效应的设备很有必要，对进一步提升抛光质量具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用磁场辅助激光高精度表面抛光的装置及方法，旨在解决现有半导体或导体在激光抛光过程中因马兰戈尼效应而增加抛光表面粗糙度的问题。

为解决上述问题，按照本发明的一个方面，提供了一种利用磁场辅助激光高精度表面抛光的装置，包括激光器、扩束镜、振镜、场镜、电磁线圈和铁芯；

所述激光器用于产生激光；

所述扩束镜置于所述激光器的出光口，用于扩大激光光束的光斑直径，并减小激光光束的发散角，获得准直激光光束；

所述振镜置于所述扩束镜的出光口，用于偏转所述准直激光光束，且振镜的出光口朝下；

所述场镜置于所述振镜的出光口，用于实现激光能量的聚集，获得高功率密度光斑；所述高功率密度光斑用于在微米尺度的范围内产生极高热量，熔化工件表面，以对工件表面进行高精度抛光；

所述电磁线圈置于所述场镜的下方，用于产生可调节磁感应强度的磁场；

所述铁芯置于所述电磁线圈的中心，用于增强电磁线圈产生的磁场。

优选的，该装置还包括激光器安装板和升降平台；

所述激光器安装板与升降平台连接；

所述激光器安装板上安装有激光器、扩束镜、振镜以及场镜；

所述工件放置在铁芯上；