一种精密的激光抛光装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光加工技术领域，尤其设及一种精密的激光抛光装置及其方法。
【背景技术】
[0002] 激光抛光技术采用激光束扫描加工工件表面，通过激光与材料相互作用，去除表 面的多余物质，形成光滑平面。它是随着激光技术的发展出现的一种新型材料表面处理技 术，从根本上解决了传统抛光技术很难解决的或者根本不可能解决的问题，特别是为具有 复杂形态和形貌的工件表面的提供了自动加工的可能性，因此激光抛光技术是一种很有前 途的新型材料加工技术。
[0003] 目前激光抛光技术主要研究激光参数对抛光效果的影响。现有技术中公开了多种 激光抛光的装置和方法，如发明专利CN101524819A公布了一种采用绿光和紫外光激光抛光 蓝宝石的复合工艺方法，利用激光福射与材料表面的光热禪合作用，W蒸发、烙融等形式为 主去除材料，并伴有微小破碎和光化学作用机制去除材料，获得低表面粗糖度和亚表面损 伤程度的抛光表面。由于衍射效应的存在，激光光斑的聚焦直径大部分在毫米尺度，很难实 现微纳米尺度的激光抛光效果。
【发明内容】
[0004] 为克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种精细的激光抛光装置和方法，实 现微纳米尺度的激光抛光技术，提高现有技术的激光抛光质量和效果。
[000引本发明是通过W下技术手段实现上述技术目的的。
[0006] -种精密的激光抛光装置，其特征在于，包括脉冲激光器、扫描阵镜、聚焦偏转光 学系统、=维移动平台、玻璃板、聚焦偏转光学系统控制板、激光控制板、=维精密控制装 置、计算机、微纳米颗粒，所述扫描振镜、聚焦偏转光学系统位于所述脉冲激光器的激光光 路上，所述微纳米颗粒涂覆在玻璃板表面上，所述玻璃板涂覆有微纳米颗粒的一面贴合在 待抛光工件上，所述待抛光工件放置在=维移动平台上;所述聚焦偏转光学系统控制板、激 光控制板、=维精密控制装置均与计算机连接，所述=维移动平台与=维精密控制装置相 连，聚焦偏转光学系统控制板与聚焦偏转光学系统相连，所述激光控制板与脉冲激光器相 连。
[0007] 所述的精密的激光抛光装置的精密激光抛光方法，其特征在于，包括W下步骤：
[0008] 1)制作表面涂覆有微纳米颗粒的玻璃板。
[0009] ①彻底清洗玻璃:首先用肥皂水去除有机残留物和油，然后进行深层次清洗，分别 在甲醇或丙酬中超声处理；
[0010] ②亲水处理玻璃:采用去离子水漂洗玻璃后，用硝酸和水的体积比为1:3的溶液浸 泡24-32小时，取出，用去离子水冲洗，用化气体干燥玻璃备用；
[0011] ③单层微纳米颗粒的制备:超声处理微纳米颗粒的溶液，制备成微纳米颗粒悬浮 液，使用巧尔帖单体，接通电极作为热源;玻璃板表面滴上微纳米颗粒悬浮液，倾斜放置并 完全干燥；
[0012] 2)待抛光工件表面预处理:采用机械方法，利用由粗到细的砂纸将待抛光的待抛 光工件打磨平整，由抛光机表面抛光，至表面粗糖度Ra < Iwii;
[0013] 3)玻璃板覆盖待抛光工件：已表面预处理好的待抛光工件表面方向为垂直向下， 带有微纳米颗粒的玻璃表面方向为垂直向上，将已预处理好的待抛光工件表面贴合带有微 纳米颗粒的玻璃表面；
[0014] 4)调节激光光束传播方向与待抛光工件表面法线方向的夹角:迅速翻转贴合好后 的待抛光工件与玻璃板，放置在=维移动平台上，调整聚焦偏转光学系统，使激光光束传播 方向与待抛光工件表面法线应具有夹角e;
[0015] 5)激光福照待抛光工件：
[0016]①设置激光能量:通过激光控制板设置激光能量，根据材料的激光损伤阔值Jo,选 取福射待抛光工件的激光能量0.9Jo<J<l. 1 Jo;
[0017] ②确定扫描激光搭接率:通过激光控制板设置激光的扫描速度，从而确定扫描激 光搭接率Tl;
[0018] ③扫描抛光待抛光工件表面:脉冲激光器发射脉冲激光，扫描待抛光工件表面，位 于玻璃板与待抛光工件间的微纳米颗粒相当于一聚焦透镜，激光经微纳米颗粒聚焦后，使 待抛光工件表面凸出或尖端部分烙化，经过激光扫描，实现抛光效果。
[0019] 优选地，所述微纳米颗粒直径R选取为
[0020] 优选地，所述激光器发射的脉冲激光的形状为平顶光束。
[0021 ]优选地，所述制作单层微纳米颗粒时，已滴上微纳米颗粒悬浮液的玻璃在干燥时， 倾斜角度P = 9°。
[0022] 优选地，激光光束传播方向与待抛光工件表面法线的夹角〇<0<45°。
[0023] 优选地，所述激光能量J = Jo。
[0024] 优选地，扫描激光搭接率Il = 0.2。
[0025] 优选地，所述微纳米颗粒为Si化颗粒、PS颗粒、金颗粒或银颗粒。
[0026] 优选地，所述待抛光工件为非金属材料或者含铁、铜、侣、不诱钢、铁的金属材料。
[0027] 所述的精密的激光抛光装置和方法的有益效果：
[0028] ①抛光装置搭建方便，无需传统复杂的机械装置进行待抛光工件的抛光处理。搭 建的抛光装置，使用的偏转振镜、激光器等都是基本的光学元件，按照实验前拟定的光路图 进行搭建，无需特别购买相关设备，简单易行。
[0029] ②对于复杂形态和形貌的待抛光工件表面，使用该方法依然获得良好的抛光效 果。传统的激光抛光，如研磨抛光，会出现磨痕。通过原子力显微镜等可W观察到运些刮痕， 刮痕深度可能达到几十纳米，从而影响了抛光质量。而采用本专利的方法，利用激光束通过 偏转振镜来回扫描待抛光工件表面，由于微纳米颗粒周围的近场增强效应，可W实现高质 量的抛光效果。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明所述精密激光抛光装置的结构图。
[0031 ]图2工件表面涂覆有微纳米颗粒的分布示意图。
[0032] 图3激光垂直入射透明颗粒的光场分布图及分界面能量分布曲线图。
[0033] 图4激光45°角入射透明颗粒的光场分布图及分界面能量分布曲线图。
[0034] 图5为本发明所述精密激光抛光方法的工艺流程图。
[0035] 图6激光抛光前粗糖度曲线。
[0036] 图7玻璃板表面颗粒沈M图。
[0037 ]图8激光抛光后粗糖度曲线。
[0038] 图中：1-脉冲激光器；2-扫描阵镜；3-聚焦偏转光学系统；4-玻璃板；5-待抛光工 件;6-聚焦偏转光学系统控制板;7-激光控制板;8-S维精密控制装置;9-计算机；10-微纳 米颗粒;11-=维移动平台；31-反射镜;32-可调反射镜;33-聚焦透镜。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图W及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并 不限于此。
[0040] W下将结合实施例对本发明技术方案做进一步详述。
[0041] 如图1所示为本发明技术方案实施的激光抛光装置，包含脉冲激光器1、扫描阵镜 2、聚焦偏转光学系统3、玻璃板4、待抛光工件5、聚焦偏转光学系统控制板6、激光控制板7、 =维精密控制装置8、计算机9、微纳米颗粒10、=维移动平台11。所述扫描振镜2、聚焦偏转 光学系统3位于所述脉冲激光器1的激光光路上，聚焦偏转光学系统3主要由反射镜31、可 调反射镜32和聚焦透镜33组成。所述微纳米颗粒10涂覆在玻璃板4表面上，所述玻璃板4涂 覆有微纳米颗粒10的一面贴合在待抛光工件5上，所述待抛光工件5放置在=维移动平台11 上;所述聚焦偏转光学系统控制板6、激光控制板7、=维精密控制装置8均与计算机9连接， 所述=维移动平台11与=维精密控制装置8相连，聚焦偏转光学系统控制板6与聚焦偏转光 学系统3相连，所述激光控制板7与脉冲激光器1相连。脉冲激光器1发射出脉冲激光，经过扫 描阵镜2控制传输脉冲的扫描速度，然后光束进入到聚焦偏转光学系统3,首先经过反射镜 31实现光束偏转，射入到与竖直方向成0角的可调节反射镜32,然后经过一聚焦透镜33,将 脉冲光束会聚于表面涂覆有微纳米颗粒的玻璃板4上，会聚于待抛光工件4上的光束与竖直 方向成e角。微纳米颗粒接触待抛光工件5的被处理表面，由聚焦偏转光学系统3调节激光作 用于待抛光工件5表面的位置。激光器1参数由激光控制板7设置，待抛光工件5的位置参数 由=维精密控制装置8设置，聚焦偏转光学系统3由聚焦偏转光学系统控制板6设置。计算机 9用于操作激光控制板7、=维精密控制装置8和聚焦偏转光学系统控制板6。
[0042] 本发明所述的精密激光抛光方法，将表面涂覆有微纳米颗粒10的玻璃板4贴附在 待抛光工件5表面，使微纳米颗粒10位于玻璃板4与待抛光工件5之间，微纳米颗粒10接触待 抛光工件5的被处理表面。如图2所示工件表面涂覆有微纳米颗粒的分布示意图。微纳米颗 粒相当于一聚焦透镜，激光经微纳米颗粒聚焦后，在微纳米颗粒周围产生能量增强，使待抛 光工件表面凸出或尖端部分烙化，经过激光扫描，实现抛光效果。本发明所述的抛光方法适 用于包含铁、铜、侣、不诱钢、铁等金属材料，也适用于陶瓷等非金属材料。
[0043] 如图3是激光垂直透明颗粒的入射光场分布图及分界面能量分布曲线图。图中实 线箭头所指的位置为颗粒和工件表面的分界面。虚线箭头分别所指的是颗粒的起始位置A 和结束位置B。能量分布曲线图的虚线分别对应A和B的位置，实线表示入射激光能量初始值 1。从能量分布曲线图可W得出①、③、⑤、⑦、⑨为能量增强点，②、④、⑥、⑧为低能量点，而 且①、③、⑤、⑦、⑨点所在位置恰为待光样品的凸出或尖端部分，是激光光场能量集中处； ②、④、⑥、⑧点所在的位置恰好为凹处，光场能量较弱或基本无光场能量，激光能量的重新 分布为抛光工艺奠定了理论可行性。如图4是透明颗粒激光45°角入射光场分布图及分界面 能量分布曲线图，分析与图3结论一致。
[0044] 本发明是利用微纳米颗粒的局域场增强效应，通过微纳米颗粒会聚脉冲激光作用 于材料表面，实现微纳米尺度范围的激光抛光技术。具体的，如图5所示，本发明所述的精密 激光抛光方法，包括W下步骤：
[0045] 1)制作表面涂覆有微纳米颗粒的玻璃板
[0046] ①彻底清洗玻璃:首先用肥皂水去除有机残留物和油，然后进行深层次清洗，分别 在甲醇或5