[發明專利]裂紋熔合裝置及其方法

在審

• 申請號: 201710511328.3
• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號: CN107200464A
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發明（設計）人: 金會良;鄧文輝;鐘波;徐曦;袁志剛;鄭楠;侯晶;陳賢華
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院激光聚變研究中心
• 主分類號: C03B20/00
• 分類號: C03B20/00
• 代理公司: 北京超凡志成知識產權代理事務所(普通合伙)11371
• 代理人: 李佳

技術領域

本發明涉及光學加工技術領域，具體而言，涉及一種裂紋熔合裝置及其方法。

背景技術

熔石英材料在紫外波段以其優良的透射性、化學穩定性、均勻性和耐高溫輻射等光學特性，成為高功率激光系統中廣泛應用的光學材料。但同時由于熔石英材料的高硬度和高脆性特點，在光學元件磨削成形加工過程中不可避免地在表面和亞表面產生微裂紋損傷。光學元件冷加工殘留的亞表面微裂紋損傷，一方面會使光學元件的機械強度降低，并且元件使用過程中由于強激光的輻照作用會引起微裂紋增長；另一方面，亞表面微裂紋會使加工過程中的雜質或拋光顆粒嵌入工件，從而增強微裂紋局部的光場、電場調制和熱吸收，這些作用會使元件的損傷閾值降低，最終導致光學元件的物理破壞。亞表面損傷嚴重降低了強激光系統中光學元件的性能和使用壽命，因此，去除亞表面損傷對提高大口徑熔石英光學元件的使用性能和周期具有重要意義。

目前，亞表面裂紋損傷一般采用傳統的拋光方法來進行迭代加工去除，通過逐漸減小加工過程中拋光顆粒的壓力和去除效率，并對影響亞表面損傷的各項因素，如拋光模材料、拋光顆粒、拋光液等方面進行改進達到減少和去除亞表面微裂紋損傷的目的。由于拋光加工的塑性去除機理，導致拋光過程中材料去除率非常低，使光學元件的加工成本和周期無法滿足強激光系統發展的要求。

有鑒于此，設計制造出一種裂紋熔合裝置，能克服目前大口徑熔石英光學元件亞表面損傷裂紋去除過程效率低、成本高及加工周期長的問題，是目前光學加工技術領域中急需解決的技術問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種裂紋熔合裝置，不僅適用于大口徑熔石英光學元件亞表面微裂紋的消除，也可以用于其他材料的光學元件的表面及亞表面微裂紋的消除，能夠產生等離子體射流，通過控制等離子體射流的激發能量、等離子體射流與光學元件的相對運動，利用等離子體射流的熱熔合作用消除光學元件的亞表面的裂紋。該裂紋熔合裝置結構簡單、操控方便，裂紋消除快速高效。

本發明的目的還在于提供一種裂紋熔合方法，利用等離子體發生器產生的等離子體射流的熱熔作用來改變局部材料的重新分配，使光學元件亞表面微裂紋的高低互補填充，最終通過微裂紋的熔合實現亞表面微裂紋的快速消除。

本發明解決其技術問題是采用以下的技術方案來實現的。

本發明提供的一種裂紋熔合裝置，用于消除光學元件表面及亞表面的裂紋，所述裂紋熔合裝置包括電源、功率匹配器、等離子體發生器、冷卻裝置、氬氣氣源、加工機床和數控系統。

所述電源與所述等離子體發生器電連接，所述電源與所述等離子體發生器之間串聯有所述功率匹配器，所述氬氣氣源與所述等離子體發生器連接，為所述等離子體發生器提供氣體，所述等離子體發生器用于產生等離子體射流。

所述等離子體發生器與所述加工機床固定連接，所述數控系統包括第一控制系統和第二控制系統，所述第一控制系統與所述等離子體發生器連接，用于控制所述等離子體射流的能量以及監控所述等離子體發生器的工作狀態，所述第二控制系統與所述加工機床連接，用于控制所述等離子體射流與所述光學元件相對運動。利用所述等離子體射流的熱熔合作用消除所述光學元件的亞表面的裂紋。所述冷卻裝置分別與所述電源和所述等離子體發生器連接，用于冷卻所述電源和所述等離子體發生器。

進一步地，所述氬氣氣源與所述等離子體發生器之間設有質量流量計，所述質量流量計用于測量所述氬氣的質量流量。

進一步地，所述氬氣氣源與所述等離子體發生器之間設有質量流量控制器，所述質量流量控制器用于控制所述氬氣的質量流量。

進一步地，所述氬氣氣源包括氬氣瓶和減壓閥，所述氬氣瓶用于存儲所述氬氣；所述減壓閥設于所述氬氣瓶的氣體出口處，用于調節所述氬氣的壓力。

進一步地，所述電源采用頻率為13.56MHz的射頻電源，或采用2.45GHz的微波電源。

進一步地，所述等離子體發生器包括電感耦合式等離子體放電或電容耦合式介質阻擋放電。

本發明提供的一種裂紋熔合方法，采用了上述的裂紋熔合裝置，步驟如下：

開啟所述電源、所述加工機床、質量流量控制器和所述冷卻裝置。

打開氬氣瓶和減壓閥，并通過所述質量流量控制器調節等離子體氣體的流量。

所述等離子體發生器的放電區域內通入氬氣后，逐步增加所述電源的功率，同時調節所述功率匹配器使其反射功率為零，以形成等離子體射流。