空域整形飞秒激光实现半球谐振子跨尺度质量调平的方法

1.本发明涉及一种空域整形飞秒激光实现半球谐振子跨尺度表面质量去重，且有效降低加工表面粗糙度的方法，属于激光应用技术领域。


背景技术：

2.半球谐振陀螺是利用半球谐振子的哥氏效应来检测角速度的一种固态陀螺仪，具有高精度、高可靠性、高稳定性、结构简单等优点，广泛应用于武器制导、舰艇导航等领域。半球谐振子是半球谐振陀螺的核心部件，其品质的优劣直接影响着陀螺的整体性能。去重调平的目的是降低半球谐振子质量分布的不均匀性，从而降低谐振子频差，提升陀螺总体性能。
3.目前，谐振子精细去重调平主要有离子束调平和激光调平等方案。离子束调平虽然精度高，但存在离子束设备昂贵，调平工艺复杂，在调平较大不平衡质量时效率较低等问题。激光去重调平可实现精确定位定量质量去除，且具有高功率密度、高加工效率、非接触和易控制的特点。相比于co2激光通过热效应实现熔融石英材料的去除，存在加工表面质量差、加工精度低等问题，飞秒激光等超快激光具有超短脉冲和极高峰值功率，且加工无需真空环境，极易与数控系统配合，工艺简单，加工质量高等特点。并且飞秒激光对材料的热影响区非常小，可以实现冷加工，对于谐振子取得高q值和更低的频率裂解值有极大的潜力。
4.但普通飞秒激光在熔融石英材料上扫面去除纳克、微克和毫克级的质量时，加工区域存在边缘毛刺较多，底部粗糙度较高等缺陷，会导致半球谐振子稳定性降低，从而影响后续表面镀膜和陀螺性能测试。随着飞秒激光时空整形技术的发展和完善，在精密结构制造领域应用广泛，可实现宽禁带材料等难加工材料的高精度、高表面质量加工，这为在半球谐振子上实现精细调平提供了极大帮助。且利用飞秒激光单脉冲作用于材料时，能实现极小区域材料的烧蚀，且无明显残余应力，这对半球谐振子极低质量去除和超高精度质量调平提供了可能。


技术实现要素：

5.为了解决现有半球谐振子质量调平方法加工表面粗糙度高、边界毛糙、调平效率精度差、效率低的问题，本发明的主要目的是提供一种空域整形飞秒激光实现半球谐振子跨尺度质量调平的方法，该方法利用空域整形的圆形平顶飞秒激光对标定位置进行特定范围和深度的激光扫面烧蚀，实现纳克、微克或毫克级的质量去除，再结合物镜或平凸透镜激光单点烧蚀的方式实现皮克等精度更高的质量去除，实现半球谐振子跨尺度精密质量调平。
6.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
7.本发明公开的空域整形飞秒激光实现半球谐振子跨尺度质量调平的方法，通过空间光调制器将高斯型飞秒激光整形为圆形形平顶光，实现光场能量的均匀化分布，用于半球谐振子表面纳克、微克级及以上的质量去除，能够避免传统飞秒激光扫面质量去除时的
底部粗糙度大、边缘毛刺多，进而保证半球谐振子品质因数不会大幅降低(底部粗糙度大、边缘毛刺多会致半球谐振子品质因数大幅降低)，提高半球谐振子表面修调质量。同时采用飞秒激光平凸透镜或物镜单点加工的方式，实现几百皮克、几皮克量级或更高精度的质量去除，对粗调后的半球谐振子进行局部微小质量不平衡精调，实现毫克-微克-纳克-皮克等跨多个尺度的半球谐振子精密质量调平，提高调平精度与效率。通过调节光路中衰减片的角度位置，实现激光能量的线性调节，控制扫面加工时的深度及单点凹坑的体积大小，实现预定质量的去除。
8.本发明公开的空域整形飞秒激光实现半球谐振子跨尺度质量调平的方法，基于空域整形飞秒激光实现半球谐振子跨尺度质量调平系统实现，所述空域整形飞秒激光实现半球谐振子跨尺度质量调平系统，包括飞秒激光加工子系统、飞秒激光空域整形子系统、物镜加工子系统、成像子系统、计算机控制系统、碎屑清洁系统和高精度三维平移台。
9.其中，所述飞秒激光加工子系统，包括飞秒激光器、电控快门、衰减片和镀膜反射镜，飞秒激光器产生脉冲激光，沿上述装置依次传播。
10.所述飞秒激光空域整形子系统，包括用于产生圆形平顶光的空间光调制器(slm)和用于缩束的平凸透镜组。传统的飞秒激光加工有加工光场单一，难以达到更高精度的缺点。依据空间光调制器(slm)通过电压对控制双折射晶体分子朝向来实现对光控制的原理，可以通过控制光场的振幅、相位或偏振等来改变激光脉冲的空间分布。通过加载相位图，并通过4f缩束系统得到激光辐照范围内能量均匀分布的的圆形平顶光。
11.所述物镜加工子系统，包括物镜架、10x/20x物镜、焦距f＝100mm的平凸透镜，用于实现不同量级质量去除加工时的精度需求。
12.所述成像子系统，用于实现半球谐振子去重加工时表面样貌的实时观测。
13.所述计算机控制系统，用于对飞秒激光脉冲触发、电控快门开关、三维平移台运动、空间光调制器(slm)及电荷耦合器件(ccd)成像的实时控制。
14.所述碎屑清洁系统，包括气泵和吹气针管子，用于加工时样品表面碎屑等喷溅物的清洁。
15.所述高精度三维平移台，用于放置夹具与半球谐振子并实现高精度的三维运动。
16.上述组成系统之间的连接关系为：
17.飞秒激光加工子系统中的飞秒激光器、电控快门，与计算机控制系统相连。
18.飞秒激光空间光调制器(slm)与计算机控制系统相连。
19.飞秒激光经进入空域整形子系统后，通过物镜/平凸透镜向下传播至半球谐振子表面。
20.质量去除过程中，半球谐振子表面在照明光源照射下产生的白光向上反射，携带加工形貌信息进入ccd实现对加工结果的实时观测。
21.所述空域整形飞秒激光实现半球谐振子跨尺度质量调平的方法，包括如下步骤：
22.步骤一、调节飞秒激光加工子系统的光路准直，确定飞秒激光传播方向；
23.步骤二、将空间光调制器(slm)安装在三维手动平移台上，调节平移台x，y，z三个方向位置，使入射光垂直入射到空间光调制器液晶屏上，保证空域整形均匀化程度；
24.步骤三、在控制计算机上用专用软件加载已制作完成的相位图信息，传输到空间光调制器；
25.步骤四、将2个焦长一致的平凸透镜组成的4f系统加装到空间光调制器后面的光路上，2个透镜距离为2倍焦长；
26.步骤五、将空域整形后的激光垂直引入物镜/平凸透镜，调节加工激光焦点与成像焦点重合；
27.步骤六、半球谐振子通过专用夹具固定在三维电控平移台上，通过调节夹具位置和三维电控平移台，使去重标记位置呈现在在半球谐振子样件最上端，调节成像清晰；
28.步骤七、将气泵吹气针管固定到光学平台上，针管出气位置对准待加工区域；
29.步骤八、根据去重要求，采用空域整形飞秒激光扫面或物镜/平凸透镜单点加工方式，同时打开气泵实时吹气，实现对标定位置的去重。
30.步骤九：通过控制重复频率、扫描速度和行间距能控制脉冲重叠率，通过衰减片调节激光能量可大幅调整加工深度，从而实现毫克、微克、纳克及皮克等不同量级的质量去除。
31.有益效果：
32.1、本发明公开的空域整形飞秒激光实现半球谐振子跨尺度质量调平的方法，利用空域整形飞秒激光对半球谐振子质量进行去除，经检测加工不同大小和深度的方形面，可实现纳克和微克及以上的质量去除；通过空域整形，得到了光束横截面上强度分布均匀的圆形平顶光，再结合气泵吹气，有效降低了加工区域的表面粗糙度，经第三方检测最低到达了ra:0.045μm，加工方槽边缘也得到明显改善。
33.2、本发明公开的空域整形飞秒激光实现半球谐振子跨尺度质量调平的方法，采用飞秒激光f＝100mm平凸透镜单点半球谐振子表面，实现百皮克级的质量去除，采用10x/20x物镜单点加工方式，实现几皮克级的质量去除，且单点凹坑底部轮廓平滑，精度高；从而能够实现毫克-微克-纳克-皮克级的跨尺度质量去重，提高半球谐振子的调平精度与调平效率。
附图说明
34.图1为本发明的空域整形飞秒激光实现半球谐振子跨尺度质量调平系统示意图。
35.图2为加工对象，半球谐振陀螺中的半球谐振子，其成分为熔融石英；
36.图3(a)为空间光整形器(slm)结构示意图；图3(b)为加载的相位图及圆形平顶光示意图。
37.图4为加工结果图。
38.其中，1-飞秒激光器，2-镀膜反射镜1，3-衰减片，4-电控快门，5-镀膜反射镜2，6-二向色镜1，7-空间光调制器(slm)，8-三维手动平台，9-平凸透镜1，10-平凸透镜2，11-镀膜反射镜3，12-二向色镜2，13-平凸透镜/物镜，14-气泵及吹气针管，15-半球谐振子，16-专用夹具，17-三维电控平移台，18-二向色镜3，19-照明灯，20-平凸透镜3，21-电荷耦合器件(ccd)，22-计算机控制系统。
39.9和10组成飞秒激光空域整形缩束透镜组。13、14、15、16、17、22组成半球质量调平子系统。18、19、20组成飞秒激光加工成像子系统。
具体实施方式
40.为了更好的理解本发明方法，以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细介绍。
41.本实施例公开的空域整形飞秒激光实现半球谐振子跨尺度质量调平的方法，具体实现步骤如下：
42.步骤一：本实施例采用的光路系统如图1所示。飞秒激光器1激光出光口激光为脉宽50fs，波长800nm的高斯型激光，偏振态为水平线偏振，重频1-1000hz可调。调节飞秒加工子系统，进行光束校准，使光束与三维电控平移台17台面垂直。飞秒激光器1产生的脉冲经过镀膜反射镜2后，入射在衰减片3上，对飞秒激光能量实现调节，通过电控开关4控制激光光的通过。
43.步骤二：空间光调制器(slm)7的结构如图3(a)所示，主要由玻璃基底、透明电极、液晶层、像素化电极以及硅底板等核心部件构成。空间光调制器的主要原理为基于液晶的双折射效应，通过改变液晶层两边的电压控制液晶分子的朝向，控制双折射晶体的非寻常轴的折射率，从而实现对激光光场的调制。实际使用空间光调制器(slm)7时，通常使用灰度图来控制每个像素的电压。灰度图的每个像素的像素值对应加载在空间光调制器(slm)7上对应像素的电压。通过计算机控制系统22向空间光调制器(slm)7加载如图3(b)所示的圆形平顶光相位图，得到圆形平顶光场，通过光束质量分析仪检测其光束截面强度分布情况，如图3(b)所示。
44.步骤三：通过调节三维手动平台8的x、y、z轴位置，使飞秒激光经二向色镜6后垂直入射到空间光调制器(slm)7的液晶上并被小角度反射，光斑的相位从而发生改变。利用2个焦长一致的平凸透镜9、平凸透镜10组成的4f缩束透镜组，将光斑无衍射地传递到物镜的后焦面上，得到能量汇聚后的圆形平顶光束。
45.步骤四：空域整形圆形平顶光经过反射镜11、二向色镜12引入到平凸透镜/物镜13中，加工所用透镜或物镜由实际调平需求决定，通过控制三维电控平移台17的z轴，使激光聚焦在半球谐振子15样品表面。成像系统白光光源由照明灯19提供，样品表面反射光经过二向色镜12、二向色镜18及平凸透镜20进入电荷耦合器件(ccd)21中。
46.步骤五：由于不允许在半球谐振子15上进行寻焦，在加工半球谐振子15前，应先通过试样调整加工焦点与成像焦点重合。
47.步骤六：通过专用夹具16将半球谐振子15固定在三维电控平移台17上，通过调整专用夹具16使待加工位置在半球表面最上端，通过计算机控制系统22控制三维电控平移台17的移动和机械开关3的开合，实现在半球谐振子15表面进行质量去除。
48.步骤七：图4(a)展示了整形后的圆形平顶光的加工结果，边长为200μm的方槽，10x物镜，激光重复频率1000hz，激光的扫描速度200μm/s，行间距1.5μm，加工深度5μm，去除质量440ng，可以看出空域整形激光加工出的槽边界无明显毛刺，且槽底平坦，经测量达到了ra:0.045μm的低粗糙度值。通过调节加工区域大小及激光能量，能够实现微克乃至毫克级的质量去除。
49.步骤八：对于半球谐振子剩余微小不平衡质量，采用焦距f＝100mm的平凸透镜或10x/20x物镜单点加工。此时，关闭空间光调制器(slm)7的电源，此时空间光调制器相当于一个反射镜。调节飞秒激光器1为singleshot模式，实现单脉冲触发。通过调节衰减片3的角
度位置，实现单脉冲能量调节。
50.步骤九：图4(b)展示了f＝100mm平凸透镜单点质量去重结果，在9.91j/cm2的激光通量下，凹坑直径34.85μm，深度0.268μm，去除质量为362pg，调控能量可实现百皮克级的质量去除。图4(c)展示了10x物镜单点质量去重结果，在8.7j/cm2的激光通量下，凹坑直径2.9μm，深度0.190μm，去除质量为1.4pg，调控能量可实现几到几十皮克级的质量去除。因此，通过控制能量，飞秒激光平凸透镜/物镜单点加工能够实现皮克级的质量调平。
51.步骤十：通过控制重复频率、扫描速度和行间距能控制脉冲重叠率，通过衰减片3调节激光能量可大幅调整加工深度，从而实现毫克、微克、纳克及皮克等不同量级的质量去除，展现了飞秒激光超高精度的调平能力与多尺度的调平范围。
52.以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。