[发明专利]一种确定飞秒激光抛光光学元件过程中激光离焦量的方法

说明书

本发明公开了一种确定飞秒激光抛光光学元件过程中激光离焦量的方法，属于机械精密制造工程技术领域，一种确定飞秒激光抛光光学元件过程中激光离焦量的方法，包括以下步骤：利用飞秒激光器输出激光波长，聚焦光斑半径并计算出光束的瑞利长度；利用激光器输出脉冲能量聚焦光斑半径，离焦量计算出激光达到材料表面时的能量密度；利用飞秒激光烧蚀率数学模型计算能材料表面的烧蚀深度；由激光烧蚀率数学模型求出不同离焦量下飞秒激光对材料的烧蚀深度；测量出待抛光光学元件表面的平均值，利用波峰和波谷的高度差带入计算，确定最佳的抛光离焦量。可以实现快速高效准确地确定飞秒激光抛光的离焦量，且成本低、效率高、准确率高。

技术领域

本发明涉及机械精密制造工程技术领域，更具体地说，涉及一种确定飞 秒激光抛光光学元件过程中激光离焦量的方法。

背景技术

光学材料的精密成形技术注重其尺寸，性质和表面粗糙度要达到相应严 格的制造要求。光学材料的加工特性为硬脆材料，表现为受外力作用下不易 形变且断裂韧性低，材料的弹性极限和强度接近，光学元件的抛光方式目前 分为三种。第一种为传统机械抛光，第二种为等离子束抛光，第三种为激光 抛光。传统的机械加工方法往往是“以硬碰硬”，这样的加工方法在加工过程 中就往往会在加工表面产生裂纹和表面破损等缺陷，而这些缺陷会严重影响 光学材料的使用特性。离子束加工和激光加工，二者避免了加工过程中材料 与工具的接触，以能量束作为代替与材料进行接触，则可以认为没有接触应 力。并且能量束可以被聚焦在极小的作用半径内，因此加工精度也随之大大 提高，可以实现以原子为计量单位的纳米级加工。同时相较于离子束抛光， 激光抛光对加工环境要求较低，同时激光发射装置相比较离子束发生装置而 言也相对简单。

对于已有的激光抛光方法，飞秒激光对光学元件的抛光结果是最佳的， 由于飞秒激光对于光学材料的去除机制为冷去除机制，对剩余部分材料热影 响较小，因此已经有部门开展关于飞秒激光抛光光学元件的研究。但是由于 激光抛光过程影响因素复杂，加工参数较多且相互关联，因此现阶段找到合 适的抛光参数是及其复杂繁琐的。离焦量(激光焦点与材料表面之间的距离) 作为飞秒激光抛光过程中重要的影响因素，如何确定合适的离焦量是工程中 亟待解决的问题。现有的解决方法是通过实验总结估计得出一个较为合适的 离焦量，每当加工材料和加工表面的结构改变后，都要进行大量的实验来确 定合适的离焦量，而激光抛光的扫描速度有限，同时实验之前激光器还要经 过长时间的预热，这样使得选择合适加工参数的过程变得十分缓慢。且目前 没有方法可以较为精确得确定最佳的飞秒激光抛光光学元件时的最佳离焦 量。

发明内容

1.要解决的技术问题

为解决现有的飞秒激光抛光光学元件确定合适的抛光离焦量成本高、效 率低、准确性差，本发明提出一种利用数学模型与计算方法相结合的方法， 快速、准确地计算在特定工艺条件下激光抛光离合适焦量的大小。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种确定飞秒激光抛光光学元件过程中激光离焦量的方法，包括以下步 骤：

S1、利用飞秒激光器输出激光波长λ，聚焦光斑半径r并计算出光束的 瑞利长度Z_R；

S2、利用激光器输出脉冲能量F聚焦光斑半径r，离焦量Z计算出激光达 到材料表面时的能量密度F`；

S3、利用飞秒激光烧蚀率数学模型计算能材料表面的烧蚀深度L；

S4、由激光烧蚀率数学模型求出不同离焦量Z_n下飞秒激光对材料的烧蚀 深度L(Z_n)；