[发明专利]CO2激光束抛光装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学元件的抛光，特别是一种CO2激光束抛光装置，可广泛应用于各种面形的光学元件的精细抛光，如平面、球面、非球面等，特别是小型复杂光学元件。

背景技术

目前，对光学元件抛光的方法主要有人工研磨、压模成型、数控车削，及以小磨头抛光、应力盘抛光、磁流变抛光、离子束抛光等为代表的计算机控制技术为核心的数控小工具抛光。这些抛光技术的发展不断推动着光学加工技术的发展，但抛光粉(液)嵌入污染、加工带来的亚表面缺陷、中频误差等问题，仍然是目前商用的抛光方法非常严峻，却待解决关键技术问题。

激光抛光作为一种新的数控抛光技术，是基于CO2激光与物质相互作用，光学元件超精密加工和检测技术等研究基础，通过激光整形、焦斑整形、激光的快速自动聚焦、光源优化处理，并基于面形测量反馈的光束扫描路径设计和四自由度高精度平台联动控制，实现激光抛光技术与自动化控制技术的系统集成，对光学元件实现高精度抛光加工。激光抛光为非接触式抛光，无亚表面缺陷；灵活性高，耗时短，抛光时间不依赖表面几何形状，适合平面、球面、自由曲面元件的抛光；无需抛光液，安全无污染等优点。

发明内容

一种CO₂激光束抛光装置，其特征是包括脉冲或连续CO₂激光器及激光能量控制系统、光束整形系统、自动聚焦系统、扫描系统、温控及四维平台联动系统；

所述的脉冲或连续CO₂激光器及激光能量控制系统由连续或者脉冲CO₂激光器光源、小孔、衰减片、快门和透镜组成，所述的光束整形系统由扩束镜、空间光调制器、第一双胶合消色差透镜、第二双胶合消色差透镜、位于该空间光调制器傅里叶频谱面上的针孔和第一反射镜组成，所述的自动聚焦系统由聚焦物镜、分光镜、离轴二象限信号探测器、与该离轴二象限信号探测器相连的信号处理器、与该信号处理器相连的微位移执行器组成，所述的扫描系统包括第二反射镜、扩束镜、f·θ透镜以及由X轴可旋转的反光镜和Y轴可旋转的反光镜组成的扫描器，所述的温控及四维平台联动系统包括四维平台、放置在该四维平台上的温度控制器、以及控制该四维平台移动的联动控制系统；

上述元件位置关系如下：

所述的脉冲或连续CO₂激光器的输出激光依次经过同光轴的小孔、衰减片、快门、透镜、扩束镜和空间光调制器，经该空间光调制器反射的光束依次经过同光轴的第一双胶合消色差透镜、针孔、第二双胶合消色差透镜和第一反射镜，经该第一反射镜反射的光路入射到所述的第二反射镜，并被该第二反射镜反射，该反射光束依次经过竖直方向的同光轴的f·θ透镜和扩束镜，入射到所述的X轴可旋转的反光镜，经该X轴可旋转的反光镜反射，进入Y轴可旋转的反光镜，经该Y轴可旋转的反光镜反射，垂直依次进入分光镜和聚焦物镜，该聚焦物镜将光束垂直辐射辐照到放置于所述温度控制器的样品上；经样品表面反射，反射光依次经聚焦物镜和分光镜(3-2) 后，由离轴二象限探测器采集，并传输至信号处理器，经信号处理器运算产生驱动信号，从而驱动微位移执行器的上下微动，该驱动微位移执行器与聚焦物镜(3-1) 相连，从而带动该聚焦物镜进行动态的离焦补偿。

所述的光束整形系统由扩束镜、空间光调制器、第一双胶合消色差透镜、针孔、第二双胶合消色差透镜、第一反射镜组成，其中所述的空间光调制器为可编反射式纯相位液晶空间光调制器，空间光调制器、聚焦物镜的光瞳面和第一消色差双合透镜，第二消色差双合透镜组成一个4f系统，位于空间光调制器傅里叶频谱面上的针孔仅让一级衍射光通过，通过计算机编程动态地改变空间光调制器上的相位图，在激光抛光和烧蚀的过程中基于不同面型加工的需要实时进行光束空间整形。

所述的自动聚焦系统由聚焦物镜、分光镜、离轴二象限信号探测器、信号处理器、微位移执行器组成，准直光进入物镜后，经样品表面反射，依次经过聚焦物镜和分光镜由离轴二象限探测器接受，将两信号做除法运算的结果送入信号处理器，并产生微位移执行器的驱动信号，从而驱动微位移执行器的上下微动，该驱动微位移执行器带动相连的聚焦物镜移动进行动态的离焦补偿。离轴二象限探测器及其相关光路构成了调焦系统的输入系统，是对系统的离焦信号进行动态监测，微位移执行器作为系统补偿的执行机构，以保证系统处于合焦状态。