[发明专利]一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学元件抛光技术领域，具体涉及到一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法及其装置。

背景技术

  随着现代光学和微电子学的高速发展，在当今的国防军事、天文探测等领域，对光学元件的加工除了有很高表面形状要求之外，还需要通过表面微观质量的大幅度提高来降低表面散射等损耗，以提高光能量传输能力、图像传输质量以及激光对抗能力。特别是针对中大口径精密光学元件的制造，提出了超光滑和低损耗的要求。

常用的超光滑表面加工方法有浴法抛光、浮法抛光、Tenon抛光及延展性抛光等。此类加工方法虽可得到极高的表面粗糙度，但其抛光效率低，特别是在对中大口径复杂面型光学元件进行加工时，严重制约了加工进度，成本极高。此外，由于传统工艺主要采用接触式加工方式，即使可得到满足表面粗糙度要求的工件，但仍存在表层掩盖下的亚表面损伤，这些都会影响到光学元件的使用性能。

近年来，一系列新型的等离子体光学抛光方法被提出，例如，德国IOM（Leibniz Institute of Surface Modification）与日本尼康利用真空等离子体技术实现光学元件的超光滑表面加工，专利号为200710072022.9的专利文件中给出了一种电容耦合式大气等离子体抛光方法，这些方法的核心是在真空或大气环境下利用低温等离子体所产生的活性气体与加工元件表面材料的化学反应进行材料的快速去除和抛光，虽然采用这些方法均可取得高效率的抛光效果，但这些方法也存在一些问题，表现在：真空等离子体设备虽然方法简抛光效果极佳，但由于设备必须在配备真空系统，运行成本较高，同时，针对大面积复杂面形元件加工，多维度的机械运动装置在真空环境运行要求非常高，其结构相当复杂，操作和维护难度也很高。而大气电容耦合等离子体方法虽然无须真空环境，但其放电要求较高，等离子体发生器的结构相对复杂，并且等离子体的产生需要在射频或微波供电条件下，易造成电磁污染，同时，工作气体需采用高纯度的氦气，在大气条件下加工成本也相当高。

是故，本发明针对具体熔石英光学元件加工问题，提出一种简单易行，运行成本低的高效率离子体抛光方法和装置，可有效取代抛光工艺流程的粗抛环节，快速实现不同口径、复杂面形熔石英工件的快速抛亮，缩短光学表面超光滑加工的成品周期。

发明内容

本发明提供一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法及其装置，以克服现有技术存在的加工效率低、工件表面及亚表面损伤的问题。

为克服现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法，是利用非活性的气体电弧放电产生高温等离子体，在气压和管壁冷压缩效应作用下，等离子体炬焰体集束聚焦于工件表面，使与焰体作用区域的熔石英表面温度急剧升高至熔石英材料的熔点，熔融态的石英在静张力作用下局部流平，达到抛光作用。

      一种针对熔石英光学元件进行抛光的方法所使用的装置，包括等电弧等离子体炬射流喷枪、六轴联动机械手及其控制系统、排气系统、光学减震平台、电弧等离子体发生器和样品台，六轴联动机械手及其控制系统和样品台设置于光学减震平台上部，等电弧等离子体炬射流喷枪位于样品台的上方，所述等电弧等离子体炬射流喷枪由涡旋式工作气体进气口、圆形绝缘隔离罩、内电极、不锈钢管壁、喇叭状等离子体喷嘴、绝缘接头构成，其特征在于：

        所述样品台具有自加温功能；

       所述等电弧等离子体炬射流喷枪中，所述内电极表面涂覆TiN涂层；所述不锈钢管壁的材质为1Cr18Ni9Ti，且外壳管壁厚度在5~8mm范围；所述圆形绝缘隔离罩材质为陶瓷，其壁厚不小于2mm；所述喇叭状等离子体喷嘴材质为1Cr18Ni9Ti，其喷枪口直径与后端喇叭口直径比例应介于1:8~1:10，喇叭口开孔角度控制在35~45^o范围；

       所述排气系统由封闭罩，气路挡板，管道及抽气电机构成，封闭罩通过管道与抽气电机连接，位于封闭罩一侧的管道上设置有气路挡板，所述封闭罩材质为透明有机玻璃，所述气路挡板为不锈钢材质。

上述气路挡板是栅栏式。

       上述自加温样品台的材质为金属铜，其上端面为光滑表面，样品台底部设置有电阻丝加热装置。

       上述等电弧等离子体炬射流喷枪中使用的工作气体为氮气，其纯度不小于99.99%，且气压控制在0.04~0.07MPa之间；电弧离子体发生器采用20~40KHz的中频电源，其工作功率在450W~1KW。

上喷枪所获得等离子体炬的束流直径控制在0.5~2mm。