[發明專利]一種激光分離加工光學晶體的方法與裝置

有效

• 申請號: 201210205314.6
• 申請日: 2012-06-20
• 公開（公告）號: CN102728958A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 段軍;鄧磊敏;曾曉雁;蔣明
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B23K26/38
• 分類號: B23K26/38;B23K26/06;B23K26/42
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于激光加工應用技術領域，具體涉及激光分離加工透明光學晶體的一種方法及其裝置，該方法尤其適合于未經專業拋光過的光學晶體坯件。

背景技術

透明的光學晶體，如磷酸鹽類的KDP、DKDP、磷酸鈦氧鉀（KTP），三硼酸鋰LiB3O5(LBO)，還有LiNbO3(LN)、KNbO3(KN)、磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸二氫胺、BaTiO3和Gd(MoO4)3等晶體長期以來一直被認為是很好的電光材料，在光電子技術中得到廣泛的應用，是高功率驅動器中的倍頻件和電光器件的重要材料，在非線性光學方面一直廣泛用于光的倍頻、和頻、差頻和混頻等。尤其是KDP及DKDP一直是最早備受重視的功能晶體，透過波段為178nm～1.45μm，屬于負光性單軸晶，其非線性光學系數常作為標準與其他晶體比較。KDP晶體不但可以實現二、三、四倍倍頻及染料激光實現倍頻而且它還可以制造Q開關。特別是特大功率激光在受控熱核反應、核爆模擬的應用方而，大尺寸KDP是惟一已經采用的倍頻材料，其轉換效率高達80％以上。雖有新材料出現，但特大晶體的綜合性能，仍以KDP為最優。需求大尺寸、高質量的KDP光學晶體，是我國自行研制核發電機組工作的當務之急。

但是由于單晶生長慢，成本很高，KDP具有各向異性、質軟、脆性高、易潮解、對加工溫度敏感，內部應力大、易開裂，在大尺寸KDP光學晶體坯體分離加工方面，仍然是一個較大的瓶頸。目前我國的光學晶體分離方法主要是采用機械方法——油冷鋸條切割方法，這種切割方法存在切割加工時產生震動和熱效應，使得光學晶體在機械加工時極易發生碎裂；光學晶體分離尺寸精度較差；切口較寬且有大量碎渣污染晶體表面；割分離方位受光學晶體自身各項異性的影響等問題，導致切割成功率較低。

采用激光對透明光學晶體進行熱分離加工具有非接觸、無振動、無機械應力的優點，但是直接利用激光對光學晶體進行分離加工，尤其是表面凸凹不平的光學晶體加工會帶來以下問題：

1、直接利用激光聚焦到透明光學晶體表面或內部進行分離加工時，由于有些透明光學晶體（如KDP晶體）易潮解而影響激光透過率，導致晶體吸收激光能量的均勻性極差。此外，光學晶體的入射面凸凹不平也會嚴重影響入射到光學晶體的激光傳輸方向。因此激光分離加工前必須對待加工的光學晶體經過高精度拋光平整，以滿足高的激光透過率、均勻性和方向一致性的要求。但對具有各向異性、質軟、脆性高光學晶體進行高精度拋光平整不但程序繁瑣、復雜和耗時耗工，而且拋光平整過程中極易發生碎裂，并且分離加工之后還要再進行一次拋光，無疑增加了光學晶體的加工難度。

2、激光熱分離加工透明光學晶體所產生的細縫會因空氣進入而使光學晶體折射率發生變化，引起激光束傳輸方向改變，不但耗散了激光能量造成分離深度變淺而且被折射的激光能量被光學晶體吸收而造成光學晶體炸裂，導致分離加工方向失控而毀壞。

3、激光熱分離加工透明光學晶體時產生的熱量會是分離口端面材料溫度過高而改變其光學晶體的光學性能，并且也會導致端面粗造度增加。

發明內容

針對光學晶體在激光分離加工過程中存在的以上問題，本發明提供了一種激光分離加工光學晶體的方法與裝置，本發明無需對光學晶體表面進行高精度拋光平整處理的條件下，就能進行有效的激光分離加工，并在分離加工光學晶體過程中不會改變光學晶體折射率和分離口材料的光學性能，因而可獲得無碎裂、分離精度高、分離加工口陡峭、分離面平滑且分離質量高的光學晶體薄片，并能有效抑制激光溫度過高而導致的負面效應。

本發明提供的一種激光分離加工光學晶體的方法，該方法包括下述步驟：

第1步、在光學晶體的凸凹不平表面上沿激光分離加工的軌跡進行簡單粗磨擦拋光，將表層的水解霧化層和雜質清除干凈，形成了一條寬度大于激光入射光斑直徑的透明軌跡；

第2步、將相同光學晶體材料的飽和溶液均勻涂抹到擦拭過的光學晶體表面，將光學晶體表面凸凹不平填平；

第3步、采用激光沿著光學晶體飽和溶液的軌跡進行掃描分離加工。

本發明提供的一種激光分離加工光學晶體的裝置，包括激光聚焦裝置和直線移動機構，其特征在于，該裝置還包括涂液系統，涂液系統包括打磨裝置、拋光裝置、擦拭裝置和涂液裝置，涂液裝置用于在激光分離加工光學晶體表面涂相同光學晶體材料的飽和溶液，以直線移動機構的移動方向為X軸方向，激光聚焦裝置、涂液裝置、擦拭裝置、拋光裝置和打磨裝置沿X軸方向依次安裝在直線移動機構上。