[发明专利]裂纹熔合装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学加工技术领域，具体而言，涉及一种裂纹熔合装置及其方法。

背景技术

熔石英材料在紫外波段以其优良的透射性、化学稳定性、均匀性和耐高温辐射等光学特性，成为高功率激光系统中广泛应用的光学材料。但同时由于熔石英材料的高硬度和高脆性特点，在光学元件磨削成形加工过程中不可避免地在表面和亚表面产生微裂纹损伤。光学元件冷加工残留的亚表面微裂纹损伤，一方面会使光学元件的机械强度降低，并且元件使用过程中由于强激光的辐照作用会引起微裂纹增长；另一方面，亚表面微裂纹会使加工过程中的杂质或抛光颗粒嵌入工件，从而增强微裂纹局部的光场、电场调制和热吸收，这些作用会使元件的损伤阈值降低，最终导致光学元件的物理破坏。亚表面损伤严重降低了强激光系统中光学元件的性能和使用寿命，因此，去除亚表面损伤对提高大口径熔石英光学元件的使用性能和周期具有重要意义。

目前，亚表面裂纹损伤一般采用传统的抛光方法来进行迭代加工去除，通过逐渐减小加工过程中抛光颗粒的压力和去除效率，并对影响亚表面损伤的各项因素，如抛光模材料、抛光颗粒、抛光液等方面进行改进达到减少和去除亚表面微裂纹损伤的目的。由于抛光加工的塑性去除机理，导致抛光过程中材料去除率非常低，使光学元件的加工成本和周期无法满足强激光系统发展的要求。

有鉴于此，设计制造出一种裂纹熔合装置，能克服目前大口径熔石英光学元件亚表面损伤裂纹去除过程效率低、成本高及加工周期长的问题，是目前光学加工技术领域中急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种裂纹熔合装置，不仅适用于大口径熔石英光学元件亚表面微裂纹的消除，也可以用于其他材料的光学元件的表面及亚表面微裂纹的消除，能够产生等离子体射流，通过控制等离子体射流的激发能量、等离子体射流与光学元件的相对运动，利用等离子体射流的热熔合作用消除光学元件的亚表面的裂纹。该裂纹熔合装置结构简单、操控方便，裂纹消除快速高效。

本发明的目的还在于提供一种裂纹熔合方法，利用等离子体发生器产生的等离子体射流的热熔作用来改变局部材料的重新分配，使光学元件亚表面微裂纹的高低互补填充，最终通过微裂纹的熔合实现亚表面微裂纹的快速消除。

本发明解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。

本发明提供的一种裂纹熔合装置，用于消除光学元件表面及亚表面的裂纹，所述裂纹熔合装置包括电源、功率匹配器、等离子体发生器、冷却装置、氩气气源、加工机床和数控系统。

所述电源与所述等离子体发生器电连接，所述电源与所述等离子体发生器之间串联有所述功率匹配器，所述氩气气源与所述等离子体发生器连接，为所述等离子体发生器提供气体，所述等离子体发生器用于产生等离子体射流。

所述等离子体发生器与所述加工机床固定连接，所述数控系统包括第一控制系统和第二控制系统，所述第一控制系统与所述等离子体发生器连接，用于控制所述等离子体射流的能量以及监控所述等离子体发生器的工作状态，所述第二控制系统与所述加工机床连接，用于控制所述等离子体射流与所述光学元件相对运动。利用所述等离子体射流的热熔合作用消除所述光学元件的亚表面的裂纹。所述冷却装置分别与所述电源和所述等离子体发生器连接，用于冷却所述电源和所述等离子体发生器。

进一步地，所述氩气气源与所述等离子体发生器之间设有质量流量计，所述质量流量计用于测量所述氩气的质量流量。

进一步地，所述氩气气源与所述等离子体发生器之间设有质量流量控制器，所述质量流量控制器用于控制所述氩气的质量流量。

进一步地，所述氩气气源包括氩气瓶和减压阀，所述氩气瓶用于存储所述氩气；所述减压阀设于所述氩气瓶的气体出口处，用于调节所述氩气的压力。

进一步地，所述电源采用频率为13.56MHz的射频电源，或采用2.45GHz的微波电源。

进一步地，所述等离子体发生器包括电感耦合式等离子体放电或电容耦合式介质阻挡放电。

本发明提供的一种裂纹熔合方法，采用了上述的裂纹熔合装置，步骤如下：

开启所述电源、所述加工机床、质量流量控制器和所述冷却装置。

打开氩气瓶和减压阀，并通过所述质量流量控制器调节等离子体气体的流量。

所述等离子体发生器的放电区域内通入氩气后，逐步增加所述电源的功率，同时调节所述功率匹配器使其反射功率为零，以形成等离子体射流。