一種大口徑曲面光學(xué)元件表面微缺陷的檢測(cè)與激光修復(fù)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件表面微缺陷的檢測(cè)與激光修復(fù)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著化石能源的日益枯竭，核聚變能以其取之不盡又清潔的優(yōu)點(diǎn)，成為人類(lèi)最理 想的未來(lái)能源。在對(duì)各個(gè)裝置的終端光學(xué)元件統(tǒng)計(jì)中，熔石英光學(xué)元件占據(jù)很大的一部分， 是高功率固體激光系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍的光學(xué)材料之一。熔石英光學(xué)元件是一種硬脆材 料，在冷夾工的過(guò)程中易產(chǎn)生微裂紋。在高功率固體激光系統(tǒng)中，熔石英光學(xué)元件被三倍頻 強(qiáng)激光輻照，易產(chǎn)生激光損傷，形成微裂紋、微凹坑等燒蝕點(diǎn)微缺陷。當(dāng)微裂紋或燒蝕點(diǎn)等 微缺陷出現(xiàn)時(shí)，光學(xué)元件的通光性能、熱力學(xué)特性會(huì)被弱化，嚴(yán)重影響了強(qiáng)激光輸出的能流 密度及其使用壽命。微缺陷產(chǎn)生后若不及時(shí)采取措施，損傷點(diǎn)將以指數(shù)性增長(zhǎng)，最終導(dǎo)致整 個(gè)光學(xué)元件的損壞。針對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生微缺陷的大口徑熔石英光學(xué)元件，美國(guó)勞倫斯?利弗莫 爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL)提出采用紫外激光對(duì)幾微米至幾十微米量級(jí)的微缺陷進(jìn)行預(yù)處理， 以提高其抗強(qiáng)激光損傷的能力，并采用二氧化碳紅外激光對(duì)幾十微米至亞毫米量級(jí)的微缺 陷進(jìn)行精密修復(fù)。修復(fù)后的大口徑熔石英光學(xué)元件，達(dá)到了延緩或抑制微缺陷增長(zhǎng)、提高熔 石英抗強(qiáng)激光損傷的目的，有效地提高了大口徑熔石英光學(xué)元件的使用壽命。
[0003] 但是，在大口徑熔石英光學(xué)元件表面微缺陷的檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)上，國(guó)外采用的是 分開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)融石英曲面光學(xué)元件的暗場(chǎng)檢測(cè)、紫外激光預(yù)處理、二氧化碳激光修復(fù)等方面 的工作，需要多次裝夾該光學(xué)元件，帶來(lái)了零件的多次裝夾誤差等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為了解決對(duì)大口徑融石英光學(xué)元件的微缺陷檢測(cè)速度慢和定位精確度 底的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)在同一平臺(tái)不同工位可對(duì)融石英光學(xué)元件表面進(jìn)行激光預(yù)處理、激光修復(fù)， 提出了一種大口徑曲面光學(xué)元件表面微缺陷的檢測(cè)與激光修復(fù)裝置。
[0005] 本發(fā)明所述的一種大口徑曲面光學(xué)元件表面微缺陷的檢測(cè)與激光修復(fù)裝置，它包 括可微調(diào)顯微檢測(cè)單元、二維大行程快速移動(dòng)裝置、Z軸運(yùn)動(dòng)裝置、激光組件和承載臺(tái)；
[0006] 可微調(diào)顯微檢測(cè)單元、二維大行程快速移動(dòng)裝置、Z軸運(yùn)動(dòng)裝置和激光組件均設(shè)置 在承載臺(tái)上，承載臺(tái)的上表面沿X軸方向設(shè)有凹槽，二維大行程快速移動(dòng)裝置設(shè)置在承載 臺(tái)凹槽內(nèi)，
[0007] 可微調(diào)顯微檢測(cè)單元和激光組件均設(shè)置于Z軸運(yùn)動(dòng)裝置的平臺(tái)上，其軸線(xiàn)方向均 垂直于二維大行程快速移動(dòng)裝置的側(cè)面；
[0008] 可微調(diào)顯微檢測(cè)單元包括暗場(chǎng)檢測(cè)單元、明場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元、光譜共焦精確測(cè)距單元 和微系統(tǒng)安裝板；
[0009] 所述共焦精確測(cè)距單元包括光譜共焦測(cè)距儀、光學(xué)X軸精密微調(diào)滑臺(tái)、測(cè)距過(guò)渡 板、測(cè)距V型塊夾具和夾緊裝置；
[0010] 光學(xué)X軸精密微調(diào)滑臺(tái)的底面固定在微系統(tǒng)安裝板的上表面，光學(xué)X軸精密微調(diào) 滑臺(tái)通過(guò)螺釘與測(cè)距過(guò)渡板的下表面固定連接，測(cè)距過(guò)渡板的上表面通過(guò)螺釘與測(cè)距V型 塊夾具的底面固定連接，測(cè)距V型塊夾具的下部為梯形件，所述梯形件為倒置梯形，梯形件 的側(cè)面設(shè)有夾強(qiáng)筋，測(cè)距V型塊夾具的上部為開(kāi)口向上的V型件，V型件中部開(kāi)有水平方向 通透的十字槽，所述V型件與梯形件為一體件，測(cè)距V型塊夾具的上側(cè)設(shè)有夾緊裝置，
[0011] 所述測(cè)距夾緊裝置與兩根圓柱配合對(duì)放置在測(cè)距V型塊夾具V型槽內(nèi)的光譜共焦 測(cè)距儀進(jìn)行夾緊，兩根圓柱的下端均固定在十字槽槽底，兩根圓柱的上端均從測(cè)距夾緊裝 置穿出；
[0012] 明場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元包括光學(xué)YZ軸精密微調(diào)滑臺(tái)、明場(chǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)渡板、明場(chǎng)監(jiān)測(cè)V型塊夾 具、明場(chǎng)監(jiān)測(cè)面陣CCD和明場(chǎng)夾緊裝置；
[0013] 光學(xué)YZ軸精密微調(diào)滑臺(tái)的底面固定在微系統(tǒng)安裝板的上表面，光學(xué)YZ軸精密微 調(diào)滑臺(tái)通過(guò)螺釘與明場(chǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)渡板的下表面固定連接，明場(chǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)渡板的上表面通過(guò)螺釘 與明場(chǎng)監(jiān)測(cè)V型塊夾具的底面固定連接，明場(chǎng)監(jiān)測(cè)V型塊夾具的下部為梯形件，梯形件的兩 個(gè)側(cè)面設(shè)有加強(qiáng)筋，明場(chǎng)監(jiān)測(cè)V型塊夾具的上部為開(kāi)口向上的V型件，V型件中部開(kāi)有水平 通透的十字槽，所述V型件與梯形件為一體件，明場(chǎng)監(jiān)測(cè)V型塊夾具的上方設(shè)有明場(chǎng)夾緊裝 置，
[0014] 所述明場(chǎng)夾緊裝置與兩根圓柱配合對(duì)放置在明場(chǎng)監(jiān)測(cè)V型塊夾具V型槽內(nèi)的明場(chǎng) 監(jiān)測(cè)面陣CCD進(jìn)行夾緊，兩根圓柱的下端均設(shè)置在十字槽槽底，兩根圓柱的上端均從明場(chǎng) 夾緊裝置穿出；
[0015] 暗場(chǎng)檢測(cè)單元包括光學(xué)XZ軸精密微調(diào)滑臺(tái)、暗場(chǎng)檢測(cè)過(guò)渡板、暗場(chǎng)檢測(cè)V型塊夾 具、暗場(chǎng)檢測(cè)線(xiàn)陣CCD、暗場(chǎng)光源和暗場(chǎng)夾緊裝置；
[0016] 光學(xué)XZ軸精密微調(diào)滑臺(tái)的底面固定在微系統(tǒng)安裝板的上表面，光學(xué)XZ軸精密微 調(diào)滑臺(tái)通過(guò)螺釘與暗場(chǎng)檢測(cè)過(guò)渡板的下表面固定連接，暗場(chǎng)檢測(cè)過(guò)渡板的上表面通過(guò)螺釘 與暗場(chǎng)檢測(cè)V型塊夾具的底面固定連接，暗場(chǎng)檢測(cè)V型塊夾具的下部為梯形件，梯形件的兩 個(gè)側(cè)面設(shè)有加強(qiáng)筋，暗場(chǎng)檢測(cè)V型塊夾具的上部為開(kāi)口向上的V型件，V型件中部開(kāi)有水平 通透的十字槽，所述V型件與梯形件為一體件，暗場(chǎng)檢測(cè)V型塊夾具的上方設(shè)有暗場(chǎng)夾緊裝 置，所述暗場(chǎng)夾緊裝置與兩根圓柱配合對(duì)放置在暗場(chǎng)檢測(cè)V型塊夾具V型槽內(nèi)的暗場(chǎng)檢測(cè) 線(xiàn)陣CCD進(jìn)行夾緊，兩根圓柱的下端均設(shè)置在十字槽槽底，兩根圓柱的上端均從暗場(chǎng)夾緊 裝置穿出；
[0017] 暗場(chǎng)光源設(shè)置在暗場(chǎng)檢測(cè)單元和明場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元之間，暗場(chǎng)光源的軸線(xiàn)方向與暗場(chǎng) 檢測(cè)線(xiàn)陣CCD的軸線(xiàn)成M度夾角，暗場(chǎng)光源的光線(xiàn)射向暗場(chǎng)檢測(cè)線(xiàn)陣CCD的焦平面，且位于 暗場(chǎng)檢測(cè)線(xiàn)陣CCD所檢測(cè)的視野內(nèi)，所述M小于90度；
[0018] 二維大行程快速移動(dòng)裝置，該裝置包括X軸運(yùn)動(dòng)單元、龍門(mén)架、Y軸運(yùn)動(dòng)單元、多個(gè) 氣浮墊和承載框體；
[0019] 龍門(mén)架包括兩根立柱、Y軸伺服電機(jī)、頂蓋、龍門(mén)豎板、龍門(mén)橫板和龍門(mén)肋板；
[0020] 兩根立柱和龍門(mén)橫板構(gòu)成龍門(mén)架結(jié)構(gòu)，龍門(mén)橫板的兩個(gè)長(zhǎng)邊的上表面固定有兩塊 龍門(mén)豎板，所述龍門(mén)豎板為梯形板，龍門(mén)肋板2-18為下側(cè)開(kāi)口的U型框，兩塊龍門(mén)豎板、龍 門(mén)肋板和龍門(mén)橫板圍成密閉結(jié)構(gòu)；
[0021] Y軸運(yùn)動(dòng)單元包括兩根Y軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和Y軸伺服電機(jī)；
[0022] 兩根Y軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌分別固定在兩根立柱的內(nèi)側(cè)，兩根Y軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)均固定 有導(dǎo)軌滑臺(tái)，Y軸伺服電機(jī)帶動(dòng)其中一根Y軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上下移動(dòng)，承載框體的左右兩個(gè)邊框 均固定在兩根Y軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的導(dǎo)軌滑臺(tái)上，承載框體的左右兩個(gè)側(cè)板的內(nèi)側(cè)均固定有一個(gè) 夾具鎖緊塊；
[0023] 所述Z軸運(yùn)動(dòng)裝置包括Z軸運(yùn)動(dòng)單元和固定基體，Z軸運(yùn)動(dòng)單元設(shè)置在固定基體 凹槽內(nèi)，所述Z軸運(yùn)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)與X軸運(yùn)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)相同；以X軸運(yùn)動(dòng)單元為例進(jìn)行說(shuō) 明，X軸運(yùn)動(dòng)單元包括X軸伺服電機(jī)、X軸移動(dòng)導(dǎo)軌和承重板；
[0024] X軸伺服電機(jī)固定在帶動(dòng)X軸移動(dòng)導(dǎo)軌框架的一端，X軸伺服電機(jī)帶動(dòng)X軸移動(dòng)導(dǎo) 軌在X軸方向直線(xiàn)移動(dòng)，X軸移動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)置在承載臺(tái)的凹槽內(nèi)，X軸移動(dòng)導(dǎo)軌上設(shè)有導(dǎo)軌滑 臺(tái)，承重板固定在所述導(dǎo)軌滑臺(tái)上，X軸移動(dòng)導(dǎo)軌帶動(dòng)導(dǎo)軌滑臺(tái)移動(dòng)；
[0025] 多個(gè)氣浮墊均勻設(shè)置在承重板的下側(cè)，用于卸載承重板的向下的壓力；龍門(mén)架的 兩根立柱的底端均固定在承重板的上表面；可微調(diào)顯微檢測(cè)單元和激光組件設(shè)置在固定基 體的上表面，固定基體固定在承載臺(tái)上，且位于二維大行程快速移動(dòng)裝置的一側(cè)的中間。
[0026] 在大口徑熔石英光學(xué)元件表面微缺陷的檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)上，國(guó)外采用的是分開(kāi)來(lái) 實(shí)現(xiàn)融石英曲面光學(xué)元件的暗場(chǎng)檢測(cè)、紫外激光預(yù)處理、二氧化碳激光修復(fù)等方面的工作， 但它們相互間的微缺陷修復(fù)與圖像處理信息不能有效得到共享。為此，本發(fā)明提出對(duì)大口 徑融石英曲面光學(xué)元件的表面缺陷檢測(cè)、表面任意點(diǎn)定位、表面上的紫外激光預(yù)處理和二 氧化碳激光修復(fù)進(jìn)行多工位的集成，并設(shè)計(jì)發(fā)明了大口徑熔石英光學(xué)元件微缺陷檢測(cè)及激 光修復(fù)裝置，該裝置可有效解決微缺陷修復(fù)與圖像處理信息不能共享的技術(shù)難題。本發(fā)明 的檢測(cè)與修復(fù)裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑融石英光學(xué)元件的微缺陷快速檢測(cè)和精確定位，并在不 同工位可對(duì)融石英光學(xué)元件表面進(jìn)行紫外激光預(yù)處理、二氧化碳激光修復(fù)等工作，由此完 成大口徑融石英光學(xué)元件表面微缺陷的檢測(cè)與激光修復(fù)，以抑制該光學(xué)元件表面微缺陷的 繼續(xù)增長(zhǎng)，提高該類(lèi)光學(xué)元件的使用壽命。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0028] (1)該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)430mmX430mm熔石英光學(xué)元件的全口徑快速掃描檢測(cè)和激 光修復(fù)處理；實(shí)現(xiàn)對(duì)5 μπι以上的微缺陷處理識(shí)別；將顯微檢測(cè)、紫外激光預(yù)處理和C02紅 外激光修復(fù)三工位集中到一個(gè)工作平臺(tái)上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，該裝置可有效解決微缺陷修復(fù) 與圖像處理信息不能共享的技術(shù)難題；
[0029] (2)該裝置X軸行程最大，為1500_，閉環(huán)補(bǔ)償后X軸、Y軸和Z軸定位精度優(yōu)于 20 μ m，工作速度最大可達(dá)300mm/s ;
[0030] (3)該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑熔石英曲面光學(xué)元件的曲面與平面檢測(cè)，進(jìn)行Z方向 精確定位，光譜共焦測(cè)距儀的工作距離222. 3mm，定位精度優(yōu)于3 μ m ;
[0031] (4)該裝置X軸部分采用四個(gè)氣浮墊平衡，在0.4MPa氣壓下，可卸荷600kg ;Y軸 部分采用低摩擦雙氣缸平衡，氣壓在〇. 2MPa~0. 4MPa可調(diào)，可卸荷40kg~80