消除表面缺陷的光學(xué)元件的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種包括由可熔材料制成的基材的光學(xué)元件的制造方法，所述方法包括如下步驟a)和b)，或步驟a)、b)和c)，或步驟a)、b)、c)和d)：a)粗加工；b)研磨；c)拋光；和d)精加工。根據(jù)本發(fā)明，所述方法包括在步驟b)、c)和/或d)任一步驟之后的如下步驟：e)檢查該光學(xué)元件的光學(xué)表面；f)檢測并定位至少一個要消除的表面缺陷；g)對于每個要消除的表面缺陷，施加激光束至包括要消除的表面缺陷的區(qū)域，從而產(chǎn)生可熔材料局部回流，由此在要消除的表面缺陷的位置通過激光形成材料重熔區(qū)域；h)拋光包括至少一個由激光形成的材料重熔區(qū)域的所述光學(xué)表面，從而產(chǎn)生無表面缺陷的拋光的光學(xué)表面，并以步驟c)和d)繼續(xù)該制造方法。
【專利說明】消除表面缺陷的光學(xué)元件的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)元件例如透鏡、玻片或棱鏡的制造。更具體地，本發(fā)明涉及具有優(yōu)良品質(zhì)光學(xué)表面的光學(xué)元件的制造方法，包含光學(xué)元件的至少一個表面缺陷的消除。本發(fā)明還涉及一種玻璃光學(xué)元件的表面處理方法，用以消除作為最終光學(xué)元件應(yīng)用時尺寸不可接受的表面缺陷，不論該光學(xué)表面的形狀如何。
【背景技術(shù)】
[0002]玻璃光學(xué)元件的制造通常包括粗加工步驟、平整研磨步驟、隨后的一個或多個拋光步驟以及可能的一個精加工步驟。粗加工包括將玻璃材料成形為光學(xué)元件所需的尺寸，以及機加工光學(xué)表面至所需形狀:平面、凹面、凸面、球面或非球面。平整研磨或平整的目的是在拋光步驟之前減小玻璃的光學(xué)表面的粗糙度。所述拋光步驟進一步減小光學(xué)元件的粗糙度，從而使其透明并獲得幾乎最終的平滑度質(zhì)量。可以執(zhí)行所述精加工步驟以改善一種或幾種光學(xué)特性，例如其粗糙度、其平滑度或其流動阻力。所述精加工步驟是后拋光工藝，它可以通過多種方式來實現(xiàn):機器人局部拋光、離子束局部拋光、磁流變(MRF)拋光、超
拋光、化學(xué)刻蝕......該制造步驟的順序使得光學(xué)元件的粗糙度依步驟規(guī)律地減小，材料
移除速度越來越低。平整后平均表面粗糙度低于200納米，拋光后低于2納米。在各步驟中材料的移除逐步減少:在粗加工中，每個面上移除的材料的厚度大于500微米(iim);在平整中，該厚度在50和500iim之間；在拋光中，在10和IOOiim之間，最后，在精加工步驟中每面移除的材料的厚度低于lOum。在平整和/或拋光步驟中，可能會出現(xiàn)表面缺陷例如刻痕、劃傷、凹坑或剝 落。如果在平整中材料沒有被足夠的移除，這些表面缺陷也可能來自于拋光的上游制造步驟。但是，即使對于正確控制的制造工藝，也可能出現(xiàn)光學(xué)部件和拋光工具之間的存在不期望的顆粒的情況。這種顆?？赡苁菕伖猱a(chǎn)物的團塊、拋光工具碎屑或者環(huán)境中的灰塵。表面缺陷的尺寸則取決于這些顆粒的尺寸和性質(zhì)，如文獻所描述的(“Effect of rogue particles on the sub-surface damage of fused silica duringgrinding/polishing，，，T.Suratwala, Journal of Non-Crystalline Solids 354(2008)p.2023-2037)。
[0003]對于質(zhì)量良好的光學(xué)元件，所考慮的表面缺陷尺寸為沿寬度幾微米至幾十微米和沿長度數(shù)毫米以內(nèi)的量級。所要考慮的缺陷深度小于20微米。根據(jù)制造的質(zhì)量和光學(xué)元件的尺寸，缺陷密度從每cm2零點零幾個缺陷至每cm2幾十個缺陷。
[0004]無論光學(xué)元件的用途如何，表面缺陷衍射或散射光線，并且還可能影響光學(xué)元件的耐用性。其一個面具有表面缺陷的光學(xué)元件或者光學(xué)裝置則會損失其對于光束傳輸?shù)牟糠制焚|(zhì)。對于功率激光束的應(yīng)用，表面缺陷的數(shù)量和尺寸必須被限制，因為這樣的缺陷是進一步擴展的損害的來源，這種損害易于限制光學(xué)元件的傳輸。
[0005]專利EP0196730描述了一種在玻璃瓶回收過程中一即在其制造和使用之后一修復(fù)表面劣化的方法。根據(jù)這種方法，0.7mm直徑的激光束掃過玻璃瓶的整個表面，使玻璃表面達到500-600°C的溫度。該表面溫度高于玻璃軟化溫度，這導(dǎo)致瓶子外表面的局部重熔，從而消除了深度10微米以上的缺陷。專利US2004/154646描述了一種玻璃的修復(fù)方法，從而除去例如IOym至0.1mm深的表面缺陷。該方法包含通過將一個幾平方毫米的區(qū)域置于熱源之下來使玻璃表面局部重熔的步驟。然而，這種重熔玻璃表面的技術(shù)會引起表面形變，這與光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用所需要的光學(xué)表面品質(zhì)不相容，例如，在功率激光鏈中的應(yīng)用。
[0006]現(xiàn)有不同的方法用來修復(fù)窗戶或舷窗上的具有毫米數(shù)量級尺寸的刻痕，所述窗戶或舷窗不需要精密光學(xué)應(yīng)用所必需的表面平滑度。例如，專利EP1473143、US2003/205831、US4047863、US3914145和W02000/024567描述了這些方法中的某一些。這些方法可以獲得所需的可視效果并能夠增強窗戶的強度，但是其不能以任何方式應(yīng)用于精密光學(xué)元件，因為由于該處理所引起的局部表面改變或是材料指數(shù)的改變，這些解決方案會引起光學(xué)傳輸時波面的變形。
[0007]另一方面，已經(jīng)進行了許多對以減少光學(xué)元件表面缺陷為目的拋光方法的研究。因此,專利JP2000-117605、W02001/083163和JP2001-239454提出了減少缺陷數(shù)量的表面拋光方法。然而，這些方法迫使光學(xué)元件的制造商改變其制造工藝和拋光工具，這可以執(zhí)行，但是將損害先前獲得的其他性能，例如表面平滑度。
[0008]專利US2002/0046998和FR2896794提出了以功率激光流增加光學(xué)表面強度的有效方法。然而，這些方法有減小光學(xué)表面平滑度的缺點并需要額外的操作，導(dǎo)致制造之后的光學(xué)元件出現(xiàn)損傷。
[0009]在光學(xué)元件的制造中，通常試圖使用與制造過程中相同的工具，即，拋光機，結(jié)合高質(zhì)量的拋光產(chǎn)品(例如，顆粒越來越細的拋光膏)，來修正制造過程中所出現(xiàn)的表面缺陷。修正光學(xué)元件表面缺陷最常用的技術(shù)包括移除厚度至少等同于缺陷深度的材料。為了不使表面變形，該移除必須均勻覆蓋整個表面?，F(xiàn)在，由于缺陷深，所要進行的移除更加的顯著。在光學(xué)元件具有相 對于通常進行的移除而言深度過大的缺陷時，其隨后可能必須重新進行前面步驟的制造過程。因此，最終的拋光步驟除去的厚度為幾微米?，F(xiàn)在，如果刻痕在該拋光步驟中出現(xiàn)，并且如果該刻痕具有幾微米或幾十微米的深度，則必須將光學(xué)元件重復(fù)之前的拋光步驟來移除幾十微米。其結(jié)果是無法保證的，因為在這顯著的移除過程中經(jīng)常會產(chǎn)生新的缺陷。制造和拋光的每一步都使用不同的產(chǎn)品，并且有時使用不同的機器。因此，這些制造周期可能是很長的并且是不可預(yù)測的。此外，在粗加工步驟之后材料的移除速度大幅度下降。該速度從粗加工之后平整的每分鐘數(shù)百微米，降慢至每小時數(shù)微米的速度。最后，當(dāng)該元件的最小厚度存在限制時，有時為了不使其低于最小尺寸而不能進行再拋光。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的一個目的是提出一種用于制造光學(xué)元件的方法，其中對于最終目標應(yīng)用所無法接受的缺陷已經(jīng)被消除。
[0011]本發(fā)明的另一個目的是縮短制造光學(xué)元件的持續(xù)時間，同時提高該元件的光學(xué)表面質(zhì)量，即減小表面缺陷的密度和/或表面缺陷的尺寸。本發(fā)明的另一個目的是提出一種用于修正具有平面、凹面或凸面光學(xué)表面的光學(xué)元件的表面缺陷的方法。本發(fā)明的另一個目的是提出一種將光學(xué)元件暴露于功率激光輻射之下的硬化方法。
[0012]本發(fā)明的目的在于補救現(xiàn)有技術(shù)方法的缺陷，并且更具體地涉及一種制造包含由可熔材料制成的基材的光學(xué)元件的方法，所述方法包含如下步驟a)和13)，或步驟8)、13)和C)，或步驟 a)、b)、c)和 d):
[0013]a.粗加工所述光學(xué)元件以在所述基材上形成至少一個光學(xué)表面；
[0014]b.平整(整平，磨平，磨光)所述光學(xué)元件的光學(xué)表面從而得到平整的光學(xué)表面；
[0015]c.拋光所述平整的光學(xué)表面從而得到拋光的光學(xué)表面；
[0016]d.精加工所述拋光的光學(xué)表面從而得到精加工的光學(xué)表面。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，該方法包含在步驟b)、c)和/或d)中任一步驟之后的如下步驟:
[0018]e.檢查該光學(xué)元件的平整的、拋光的或精加工的光學(xué)表面，以在所述光學(xué)元件的平整的、拋光的或精加工的光學(xué)表面上檢測并定位至少一個要消除的表面缺陷；
[0019]f.對于在步驟e)中定位的每個要消除的表面缺陷，在包含(包圍)所述要消除的表面缺陷的區(qū)域上施加激光束，所述激光束具有適于被所述材料吸收的激光發(fā)射波長，以便產(chǎn)生該可熔材料的局部重熔(再熔，重鑄)，該激光束的能量密度(功率密度)和該激光束的施加持續(xù)時間隨著該要消除的表面缺陷的橫向尺寸變化而變化，從而在要消除的表面缺陷的位置(替代該要消除的表面缺陷)形成激光重熔材料區(qū)域；
[0020]g.當(dāng)步驟f)在步驟c)結(jié)束之前被執(zhí)行時，以步驟c)繼續(xù)該光學(xué)元件的制造方法；或者，當(dāng)步驟f) 在步驟c)結(jié)束之后被執(zhí)行時，以步驟d)繼續(xù)該光學(xué)元件的制造方法。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的制造方法的各種具體方面:
[0022]-所述光學(xué)元件的光學(xué)表面的檢查步驟e)包含化學(xué)刻蝕；
[0023]-檢查步驟e)包含散射和/或衍射的光學(xué)測量；
[0024]-檢查步驟e)包含在光學(xué)表面上檢測和定位至少一個橫向尺寸大于或等于10微米的表面缺陷；
[0025]-激光束的施加步驟f)包含施加波長為10.6 ii m的CO2激光束，所述激光是連續(xù)的或者脈沖的；
[0026]-所述可熔材料是玻璃，并且激光束的施加步驟f)引起玻璃的局部溫度的增加，在包含在步驟e)定位的要消除的表面缺陷的區(qū)域中，所述玻璃的局部溫度在1000K和2000K之間；
[0027]-在所述步驟f)中結(jié)合使用激光束沿要消除的表面缺陷對光學(xué)元件的表面的空間掃描；
[0028]-所述步驟f)之后的拋光步驟包括在這樣的厚度上移除材料，該厚度小于原始表面缺陷的深度并且大于或等于由于施加激光束的步驟f)產(chǎn)生的激光重熔材料區(qū)域的表面變形的深度；
[0029]-所述步驟f)之后的拋光步驟中的材料移除在I和20微米之間。
[0030]本發(fā)明還涉及一種使用功率激光輻射硬化包含由可熔材料制成的基材的光學(xué)元件的方法，所述基材包含拋光的或精加工的光學(xué)表面，所述硬化方法包含步驟:
[0031]h.檢查所述光學(xué)元件的拋光的或精加工的光學(xué)表面，以在所述光學(xué)元件的光學(xué)表面上檢測和定位至少一個要消除的表面缺陷；
[0032]1.對于在步驟h)中定位的每個要消除的表面缺陷，在包含該表面缺陷的區(qū)域上施加激光束，所述激光束具有適于被所述材料吸收的激光發(fā)射波長，從而產(chǎn)生可熔材料的局部重熔，該激光束的能量密度和該激光束的施加持續(xù)時間隨著在步驟h)中定位的要消除的表面缺陷的橫向尺寸變化而變化，從而在要消除的表面缺陷的位置形成激光重熔材料區(qū)域；
[0033]j.當(dāng)步驟i)在步驟c)結(jié)束之前被執(zhí)行時，以根據(jù)權(quán)利要求1的方法的步驟c)恢復(fù)(回到，重新開始)該光學(xué)元件的制造方法；或者，當(dāng)步驟i)在步驟c)結(jié)束之后被執(zhí)行時，以根據(jù)權(quán)利要求1的方法的步驟d)恢復(fù)該光學(xué)元件的制造方法。
[0034]本發(fā)明的特別有利的應(yīng)用是在玻璃基材上制造高精度的光學(xué)元件，特別是用于功率激光鏈。
[0035]本發(fā)明還涉及下面描述的特征，這些特征可被單獨考慮或以其任何技術(shù)上可行的
組合被考慮。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]通過下面以非限制性示例的方式給出的說明可以更好地理解本發(fā)明如何實施，該說明參照附圖，在附圖中:
[0037]-圖1示意性地示出了現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)元件制造方法的步驟；
[0038]-圖2示意性地示出了具有表面缺陷的光學(xué)元件的剖視圖(圖2A)和頂視圖(圖2B)；
[0039]-圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件制造方法的步驟；
[0040]-圖4示意性地示出了用于局部重熔光學(xué)元件的表面缺陷的裝置的一部分的視圖；
[0041]-圖5示意性地示出了在局部重熔表面缺陷的步驟之后，與圖2中相同的光學(xué)元件的截面圖(圖5A)和頂視圖(圖5B);
[0042]-圖6示意性地示出了在本發(fā)明一個實施方案的方法的主要步驟中光學(xué)元件的截面圖，圖6A示出拋光和定位表面缺陷的第一步驟，圖6B示出圖6A的缺陷局部重熔所產(chǎn)生的激光重熔材料區(qū)域，圖6C示出拋光步驟之后光學(xué)元件的光學(xué)表面；
[0043]-圖7的曲線示意性地示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的制造技術(shù)(虛線曲線)或根據(jù)本發(fā)明的方法(實線曲線)，隨著制造方法的持續(xù)而變的光學(xué)元件的光學(xué)表面光學(xué)質(zhì)量的測量值。
【具體實施方式】
[0044]圖1給出了表示光學(xué)元 件常規(guī)制造方法的最后步驟的示意圖，該方法是迭代式方法。本文沒有詳細描述作為光學(xué)元件基材的材料的制造步驟。該基材通常由玻璃制成。步驟10是粗加工步驟，其賦予用于制造光學(xué)元件的玻璃材料第一形狀。該光學(xué)元件被粗加工以成形為所需的尺寸，以便根據(jù)所需的形狀機加工光學(xué)表面:平面、凹面、凸面、球面或非球面。然而，粗加工會產(chǎn)生具有高表面粗糙度的散射光學(xué)表面。接下來的步驟20是平整(整平，磨平)步驟，其目的是減小玻璃的光學(xué)表面的粗糙度，例如，借助于平整機和特定產(chǎn)品研磨該表面。在制造過程中并在交付光學(xué)元件之前，制造商對表面進行目視檢查數(shù)次，檢查缺陷的存在。為了進行制造的拋光和精加工步驟，在開始該步驟之前定義表面質(zhì)量的標準。該標準基于所檢測到的缺陷的尺寸和數(shù)量。光學(xué)元件的制造步驟進行得越多，該標準就越嚴格，即可接受的缺陷越來越小。如果滿足該步驟的輸入標準，則元件可以進行該步驟，如果未滿足，則必須驗證該元件對應(yīng)于前一步驟的輸入標準。第一平整步驟20之后，制造商進行第一次平整光學(xué)表面的目視檢查30，檢查缺陷的存在。如果在平整光學(xué)表面上存在缺陷并使光學(xué)元件不合格，則制造商重復(fù)平整步驟20直到平整光學(xué)表面上缺陷的密度和/或尺寸符合對于光學(xué)元件預(yù)先設(shè)定的拋光輸入質(zhì)量標準。當(dāng)光學(xué)元件平整光學(xué)表面的質(zhì)量滿足拋光輸入質(zhì)量標準時，該平整的光學(xué)元件合格。隨后進行拋光步驟40，其目的是使光學(xué)表面完全光滑、達到具有必要精度的形狀、消除光學(xué)表面的散射并增加反射/透射系數(shù)。第一拋光步驟40之后，制造商對拋光的光學(xué)表面進行目視檢查50，檢查缺陷的存在。如果滿足精加工的輸入標準，元件可以進行精加工步驟60。如果不滿足，并且如果滿足拋光輸入標準，則元件保持在拋光步驟40。如果不滿足拋光標準，則元件返回到平整步驟20。精加工步驟60可顯著減小粗糙度。該步驟采用優(yōu)化的拋光參數(shù)(拋光劑的精細顆粒尺寸分布，流體的化學(xué)控制，清潔環(huán)境)移除少量材料。精加工步驟可以是例如超級拋光和/或磁流變(MRF)拋光。第一精加工步驟60之后，制造商對拋光的光學(xué)表面進行目視檢查70，檢查缺陷的存在。只要元件不符合提交的最終規(guī)格，該光學(xué)元件就保持在制造過程。如果滿足精加工的輸入標準，則元件保持在精加工步驟60。如果不滿足，并且如果滿足拋光輸入標準，則元件返回到拋光步驟40。如果不滿足拋光的標準，則元件返回到平整步驟20。
[0045]可以觀察到，光學(xué)元件光學(xué)表面的常規(guī)制造方法是一種迭代式方法。在光學(xué)元件的制造過程中視覺控制是決定步驟。各目視檢查步驟30或50或70決定了隨后的操作，可能會導(dǎo)致制造工藝的進度回退。由于光學(xué)質(zhì)量標準高，圖1的制造方法需要盡可能多的平整、拋光和精加工操作。因此，該光學(xué)元件的成本很大程度上取決于所要求的質(zhì)量標準。此外，無論平整、拋光和/或精加工步驟的迭代次數(shù)如何，光學(xué)表面的質(zhì)量都不能無限地增加，而是會達到一極限。相對于光學(xué)波面，不存在具有絕對完美的光學(xué)表面質(zhì)量的光學(xué)兀件。
[0046]圖2不意性地不出包含光學(xué)表面110的光學(xué)兀件100的截面圖(圖2A)和頂視圖(圖2B)。該玻璃光學(xué)元件具有表面缺陷120，該表面缺陷可以例如在平整之后的目視檢查步驟30中或者在拋光之后的目視檢查步驟50中被突出顯示。光學(xué)元件100可以被用于在光學(xué)表面110上進行反射(反射鏡，光學(xué)表面110可能覆蓋有反射薄層)或透射，其中元件100可以是聚焦透鏡。`
[0047]現(xiàn)在將詳細描述一種制造方法，該方法能獲得其光學(xué)表面沒有不可接受的缺陷的光學(xué)元件，即，光學(xué)元件沒有橫向尺寸大于預(yù)設(shè)標準的缺陷，而橫向尺寸與光學(xué)元件的預(yù)計用途相關(guān)。
[0048]圖3示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的制造方法的示意圖。粗加工步驟10之后，與參照圖2詳細描述的現(xiàn)有技術(shù)相似的，光學(xué)表面具有高的表面粗糙度。以常規(guī)的方式，隨后進行平整步驟20以獲得平整的光學(xué)表面。然后執(zhí)行平整光學(xué)表面的檢查步驟30'。該檢查步驟30'可以是目視檢查步驟，或自動檢查步驟，例如借助于照相機或顯微鏡和適當(dāng)照明的光學(xué)檢查。多種檢查方法可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)實施:光散射檢測、熱致發(fā)光、化學(xué)刻
蝕，以使得缺陷可見.......檢查步驟30'的結(jié)果是確定平整光學(xué)表面上的表面缺陷120
的位置和尺寸(長度和寬度)。如果在平整光學(xué)表面上存在至少一個缺陷120并使得該元件不合格，則光學(xué)元件100將被引導(dǎo)到一個通過CO2激光進行局部修飾的中間步驟35，而不是進入一個新的平整步驟。在我們使用的優(yōu)選方式中，通過CO2激光進行局部修飾的裝置可以用于光學(xué)檢查臺上，這能限制光學(xué)元件的處理并減少該步驟的持續(xù)時間。該局部修飾步驟35的目的是消除被認為不可接受的缺陷120(在下文中，這種缺陷被稱為“要消除的缺陷”)，所述缺陷深度可達20 u m。在該第一激光修飾步驟35過程中，優(yōu)選使用CO2激光，它的輻射可被氧化硅強烈吸收。將參數(shù)適合于該缺陷的激光束引向之前定位的、長度和/或?qū)挾纫呀?jīng)測量的要消除的缺陷。激光熔融所定位的缺陷120周圍的氧化硅，這可以恢復(fù)材料的性質(zhì)。然而，該第一激光修飾步驟35使光學(xué)表面110變形。隨后進行拋光步驟40，從而獲得所需的表面性能:光學(xué)表面的低粗糙度和形狀。在該拋光步驟40之后，進行拋光光學(xué)表面的檢查步驟50'，以檢測、定位并測量拋光光學(xué)表面上可能的缺陷。如果在拋光光學(xué)表面上存在表面缺陷120并使元件不合格，則光學(xué)元件100將被引導(dǎo)到另一個通過CO2激光進行局部修飾的中間步驟55，而不是進入新的拋光步驟，該中間步驟采用同樣的裝置但具有適合于要消除的表面缺陷的功率參數(shù)。該局部修飾步驟55的目的是消除殘余的或拋光過程中出現(xiàn)的表面缺陷。該步驟55使光學(xué)表面110略有變形。隨后進行常規(guī)精加工步驟，該精加工步驟除去約5 u m深的材料，以在光學(xué)元件的表面達到所需的形狀。在精加工步驟60之后，進行拋光光學(xué)表面的檢查步驟70'，以檢測、定位并測量拋光光學(xué)表面上可能的缺陷。如果在拋光光學(xué)表面上存在表面缺陷120并使兀件不合格,則光學(xué)兀件100將被引導(dǎo)到一個通過CO2激光進行局部修飾的中間步驟75，該中間步驟采用同樣的裝置但具有適合于要消除的表面缺陷的功率參數(shù)。該局部修飾步驟75的目的是消除殘余的或精加工過程中出現(xiàn)的表面缺陷。步驟75使光學(xué)表面110略有變形。隨后進行新的精加工步驟。
[0049]現(xiàn)在將描述減小光學(xué)元件的表面缺陷的尺寸和數(shù)量的方法。
[0050]圖4示出通過CO2激光進行局部修飾的步驟35、55和/或75所用的裝置。所述激光局部修飾包括要消除的光學(xué)表面缺陷120周圍材料的局部重熔。激光源210優(yōu)選為具有約數(shù)kHz的重復(fù)頻率的連續(xù)或脈沖CO2激光。優(yōu)選地，該CO2激光為在10.6 ii m的發(fā)射波長下發(fā)射紅外光束230的CO2激光，它使用透鏡220聚焦于光學(xué)元件的光學(xué)表面110上所定位的損傷120。光學(xué)元件110的材料通常為氧化硅或氧化硅基合金，其在使用范圍內(nèi)具有非常低的吸收性能，但對于遠紅外輻射有高的吸收性能。光學(xué)元件高度吸收光束230的能量并升溫。當(dāng)超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，即粘度接近IO13泊時，材料局部軟化。優(yōu)選地，經(jīng)受激光束的玻璃的溫度達到1200至1800K。根據(jù)所達到的粘度，該軟化可以或多或少地加快材料的重組，其中粘度為溫度的函數(shù)`。在該軟化過程中裂縫和缺陷消失。材料的局部溫度必須保持低于材料的噴出溫度，以避免熔融材料的損失。特別地，建議限制氧化硅的升溫以免引起其大量的噴出。
[0051 ] 激光修飾法的一個特點是選擇該操作的參數(shù)、例如功率密度，以在缺陷的整個深度上進行重熔但卻限制材料的位移。重熔是材料結(jié)構(gòu)的重組。如果要消除的表面缺陷的全部裂縫都已經(jīng)被重熔，則該步驟是成功的。
[0052]有利地，在激光束沿所要消除的表面缺陷對于光學(xué)元件表面進行空間掃描的過程之中結(jié)合局部重熔。
[0053]圖5以截面圖(圖5A)和正視圖(圖5B)示意性地示出在表面缺陷上激光修飾的效果。激光局部重熔的效果是消除表面缺陷并產(chǎn)生重熔材料區(qū)域310。盡管有限制功率積蓄的預(yù)防措施，代替和取代缺陷120地，局部重熔會產(chǎn)生具有由材料位移和/或壓縮造成的表面變形310的重熔材料區(qū)域。根據(jù)使用的CO2激光的參數(shù)，重熔材料區(qū)域表面可能呈現(xiàn)的表面變形具有環(huán)形山狀或溝槽和/或表面波紋也或者接近于拋光表面表面質(zhì)量的大致形狀。對于步驟35、55和75，雖然通過參數(shù)設(shè)置可獲得深度低于Iym的表面變形，該表面變形310對于當(dāng)前應(yīng)用的光學(xué)元件的表面平滑度規(guī)格是相當(dāng)重要的。
[0054]CO2激光局部修飾之后，元件繼續(xù)常規(guī)制造工藝，因此將從步驟35被引入到拋光步驟40'或從步驟55到精加工步驟60'。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的多種拋光和精加工工藝可以應(yīng)用于本文所提出的方法。拋光40'可以恢復(fù)合格的光學(xué)元件表面平面度。由于0)2激光修飾所產(chǎn)生的變形是非常局部的，所以光學(xué)元件的平面度不受大的影響，常規(guī)制造工藝的參數(shù)不會被修改。在常規(guī)工藝中移除的材料大于微米級并且大于表面變形310的深度，如圖6中所示。
[0055]如截面圖6A、6B和6C所示，當(dāng)缺陷已經(jīng)被CO2激光消除時，與相對于初始缺陷120深度的移除相比，恢復(fù)表面的平面度所需的移除已不那么重要。得益于光學(xué)元件制造過程中CO2激光的使用，該修飾可以同時在局部和縱深上進行。
[0056]圖7示意性地示出分別根據(jù)圖1詳述的制造方法(虛線曲線)和根據(jù)本發(fā)明的方法(實線曲線)制造的光學(xué)元件的光學(xué)表面的光學(xué)質(zhì)量的測量值隨方法持續(xù)時間的變化(以任意單位)?？梢钥闯?，常規(guī)迭代式方法不能達到光學(xué)表面的完美質(zhì)量，即使是通過重復(fù)平整和/或拋光步驟以延長制造持續(xù)時間。相反地，本發(fā)明的方法可以更快速地達到最佳的光學(xué)質(zhì)量。本發(fā)明的方法可以將平整和拋光操作線性排列，而不必重復(fù)這些步驟，這具有可以控制制造成本和延遲的優(yōu)點。本發(fā)明方法的主要優(yōu)點是可以在更短的時間內(nèi)制造質(zhì)量更好的光學(xué)元件 ，如圖7所示。
[0057]本發(fā)明的方法有利地應(yīng)用于由氧化硅玻璃制造的光學(xué)元件。
[0058]本發(fā)明制造方法的另一個優(yōu)點是它與光學(xué)元件制造商的全部制造工藝的兼容性，這些工藝不需要任何參數(shù)的改變。
[0059]光學(xué)元件質(zhì)量的增加能夠提高暴露于高功率激光輻射的光學(xué)元件的壽命期限。因此，該方法允許增大在激光鏈中施加于光學(xué)元件上的激光功率。該方法的另一個優(yōu)點是實施的容易性和快速性。
[0060]本發(fā)明方法的主要缺點是將非常規(guī)工具(CO2激光)用于拋光。
[0061]本發(fā)明的方法的應(yīng)用是生產(chǎn)用于功率激光鏈的光學(xué)元件。該方法能夠產(chǎn)生增益，因為不合規(guī)的光學(xué)元件可以被修正，因而減少了制造的損耗。
【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)元件(100)的制造方法，該光學(xué)元件包括由可熔材料制成的基材，所述方法包括如下步驟a)和b)，或步驟a)、b)和c)，或步驟a)、b)、c)和d): a.粗加工(10)所述光學(xué)元件(100)以在所述基材上形成至少一個光學(xué)表面(110)； b.平整(20)所述光學(xué)元件(100)的光學(xué)表面(110)從而得到平整的光學(xué)表面； c.拋光(40)所述平整的光學(xué)表面從而得到拋光的光學(xué)表面； d.精加工(60)所述拋光的光學(xué)表面從而得到精加工的光學(xué)表面； 其特征在于，所述方法包括在步驟b)、c)和/或d)中任一步驟之后的如下步驟: e.檢查(30'，50',IQ')所述光學(xué)元件的平整的、拋光的或精加工的光學(xué)表面，以在所述光學(xué)元件的平整的、拋光的或精加工的光學(xué)表面上檢測并定位至少一個要消除的表面缺陷(120)； f.針對在步驟e)定位的每個要消除的表面缺陷(120)，施加激光束(35，55，75)到包含所述要消除的表面缺陷的區(qū)域上，所述激光束具有適于被所述材料吸收的激光發(fā)射波長,從而產(chǎn)生該可熔材料的局部重熔,該激光束的能量密度和該激光束的施加的持續(xù)時間是所述要消除的表面缺陷(120)的橫向尺寸的函數(shù)，從而取代要消除的表面缺陷形成激光重熔材料的區(qū)域(310)； g.當(dāng)步驟f)在步驟c) 結(jié)束之前已被執(zhí)行時，以步驟c)繼續(xù)該光學(xué)元件的制造方法；或者，當(dāng)步驟f)在步驟c)結(jié)束之后已被執(zhí)行時，以步驟d)繼續(xù)該光學(xué)元件的制造方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)元件(100)的制造方法，其中，所述光學(xué)元件的光學(xué)表面的檢查(30'，50' ,IQ')步驟e)包括化學(xué)刻蝕。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的光學(xué)元件(100)的制造方法，其中，檢查(30',50/ ,70/ )步驟e)包括散射和/或衍射的光學(xué)測量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的光學(xué)元件(100)的制造方法，其中，檢查(30'，50'，70')步驟e)包括在光學(xué)表面上檢測和定位至少一個橫向尺寸大于或等于10微米的表面缺陷(120)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一的光學(xué)元件(100)的制造方法，其中，施加激光束(35，55，75)的步驟f)包括施加波長為l0.eym的CO2激光束，所述激光是連續(xù)的或者脈沖的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一的光學(xué)元件(100)的制造方法，其中，所述可熔材料是玻璃，并且施加激光束(35，55，75)的步驟f)引起該玻璃的局部溫度的增加，在一包含在步驟e)定位的要消除的表面缺陷(120)的區(qū)域中，所述玻璃的局部溫度在1000K和2000K之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的光學(xué)元件(100)的制造方法，其中，步驟f)與使用激光束沿著要消除的表面缺陷(120)在光學(xué)元件的表面上進行空間掃描相結(jié)合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一的光學(xué)元件(100)的制造方法，其中，所述步驟f)之后的拋光步驟(40)包括材料移除，該材料移除在這樣的厚度上進行，該厚度低于原始表面缺陷(120)的深度并且大于或等于由施加激光束的步驟f)產(chǎn)生的激光重熔材料(310)的區(qū)域的表面變形的深度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的光學(xué)元件(100)的制造方法，其中，在步驟f)之后的拋光步驟期間進行的材料移除在I和20微米之間。
10.一種基于功率激光輻射來硬化光學(xué)元件(100)的方法，該光學(xué)元件包括由可熔材料制成的基材，所述基材包括拋光的或精加工的光學(xué)表面(110)，所述硬化方法包括下列步驟: h.檢查所述光學(xué)元件(100)的拋光的或精加工的光學(xué)表面(110)，以在所述光學(xué)元件(100)的光學(xué)表面上(110)檢測和定位至少一個要消除的表面缺陷(120)； L.針對在步驟h)定位的每個要消除的表面缺陷，在包含該表面缺陷(120)的區(qū)域上施加激光束，所述激光束具有適于被所述材料吸收的激光發(fā)射波長，從而產(chǎn)生可熔材料的局部重熔，該激光束的能量密度和該激光束的施加持續(xù)時間是在步驟h)定位的要消除的表面缺陷(120)的橫向尺寸的函數(shù)，以便取代要消除的表面缺陷(120)而形成激光重熔材料的區(qū)域(310)； j.當(dāng)步驟i)在步驟c)結(jié)束之前已被執(zhí)行時，以根據(jù)權(quán)利要求1的方法的步驟c)恢復(fù)該光學(xué)元件的制造方法；或者，當(dāng)步驟i)在步驟c)結(jié)束之后已被執(zhí)行時，以根據(jù)權(quán)利要求1的方法的步驟d)恢復(fù)該光學(xué)元件的制造方法。
【文檔編號】B23K26/00GK103764578SQ201280033042
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月1日
【發(fā)明者】P·科爾蒙, J-L·呂利耶 申請人:原子能與替代能源委員會