基于超快激光电子动态调控加工半球谐振子系统及方法与流程

本发明属于惯性仪表与超精密加工，涉及谐振陀螺高精度成型制造技术，具体涉及基于超快激光电子动态调控加工半球谐振子系统及方法。

背景技术：

1、谐振陀螺仪作为一种基于哥氏效应的固体波动陀螺仪，包括石英半球谐振陀螺、金属筒型谐振陀螺、嵌套环陀螺和微半球陀螺等。其中，石英半球谐振陀螺以熔融石英高q值材料特性，成为近年来谐振陀螺领域发展的“滩头堡”、“排头兵”。

2、石英半球谐振陀螺敏感部件谐振子作为硬脆材料复杂曲面加工的代表，以其加工难度高、形位精度/表面质量要求苛刻、应力敏感度高，成为国内外研究的关键热点问题。目前石英谐振子的加工主要依赖于传统机加工(粗/精磨)成形。虽取得了一系列较为优良的效果，但是现有方法均为接触式加工方法，使得谐振子加工过程中不可避免的出现应力集中、亚表面损伤等缺陷，严重影响谐振子性能。并且各种传统加工方法之间相互配合引起的误差难以得到有效控制，致使良品率难以达到工程化应用的苛刻标准，导致综合成本大幅上升。

3、激光加工方法作为近年来快速发展的先进制造方法，通过激光聚焦在样件表面或内部对材料进行烧蚀、电离从而按照设计要求进行材料去除或者改性形成指定样件，因其精度高、速度快、非接触、无需引入外来污染物与苛刻实验条件而广受青睐。超快激光具有超快(脉宽极短)、超强(峰值功率极高)、三维超精密的特点，在制造中呈现出强烈的非线性/非平衡能量吸收特性，可以加工包括硬脆难加工材料在内的几乎所有材料，并产生独特的极端制造效果。

4、针对上述现有接触式加工谐振子的不足及超快激光的加工特点，预设计一种对

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可实现石英谐振子的高质量成型制造的基于超快激光电子动态调控加工半球谐振子的系统及方法。

2、本发明的上述目的之一通过以下技术方案来实现：

3、一种基于超快激光电子动态调控加工半球谐振子系统，包括超快激光器、光栅、衰减片组、光学快门、激光脉冲整形装置、超快反射镜、二向色镜、凸透镜、白光照明光源、ccd动态成像单元、激光振镜、精密五轴电控平移台、计算机；

4、所述超快激光器发出的激光经过光栅调节为设定直径的一束平行光；经过衰减片组和光学快门输入到激光脉冲整形装置，用于通过时域整形得到超快激光脉冲序列；经过超快反射镜和聚焦物镜聚焦到位于精密五轴电控平移台上的待加工产品表面；

5、所述白光照明光源发出的白光经过凸透镜、二向色镜、超快反射镜和激光振镜照到待加工产品，用于提供加工环境照明光；并反射经过激光振镜、超快反射镜返回，经过二向色镜反射，到达ccd动态成像单元，用于呈现加工产品表面状态；

6、所述精密五轴电控平移台，用于带动加工产品在x、y、z、u/v、w五个方向进行运动，满足预设使用需求的速度和位置；

7、所述计算机，用于控制激光脉冲整形装置以调节脉冲延时的长短至满足预设使用需求，控制光学快门的打开与关闭，控制精密五轴电控平移台的五轴运动，并连接ccd动态成像单元进行加工产品表面的监控。

8、而且，所述激光脉冲整形装置采用基于迈克尔逊干涉仪的超快激光双脉冲发生装置。

9、而且，所述超快激光器发出的超快激光能量为100μj,脉冲延时为0～10ps，扫描速度为20～100mm/s，激光振镜倍数20×。

10、本发明的上述目的之二通过以下技术方案来实现：

11、一种基于超快激光电子动态调控加工半球谐振子系统的加工方法，包括如下步骤：

12、步骤1、制备毛坯料；

13、步骤2、对毛坯料进行预清洗，去除毛坯料表面的污物：

14、步骤3、将清洗的毛坯料置于精密五轴电控平移台上并进行固定，开启并调整上述系统，将调整为脉冲序列的激光聚焦到熔融石英棒料表面，控制超快激光脉冲序列的加工参数和棒料的加工位置，加工出满足预设需求的石英半球谐振子；

15、步骤4、将步骤3中加工成型的石英半球谐振子以蒸馏水为介质进行超声清洗，以去除碎屑等多余物，然后在腐蚀溶液中短时浸泡，最后在蒸馏水中进行超声清洗，得到最终满足装配条件的石英半球谐振子。

16、而且，步骤2，通过超声或兆声方式进行清洗，先后通过三步骤清洗，清洗溶剂依次选用丙酮、酒精与蒸馏水，每步清洗时间为15分钟。

17、而且，步骤4中，腐蚀溶液采用浓度为1mol/l的氢氟酸溶液，腐蚀浸泡时间为30秒。

18、本发明具有的优点和积极效果为：

19、1、本发明提供一种基于超快激光电子动态调控加工半球谐振子的方法，该方法通过超快激光脉冲整形技术对熔融石英进行非接触式加工，搭配高精度五轴平移台，最终实现具有高形位精度和表面质量的石英半球谐振子。

20、2、该方法基于电子动态调控思想，利用脉冲整形装置产生的脉冲序列对熔融石英材料进行高精度去除，单次去除最小质量可达皮克量级。

21、3、该发明还具备高效率、灵活、非接触、无污染、非真空条件特点，超快激光也同时具有脉冲持续时间极短、脉冲峰值功率极高、能够避免热效应等优势，超快激光可以在其晶格温度升高之前依靠电离瞬时去除材料，抑制热影响，尽可能消除热应力对谐振子的成型制造影响，同时结合五轴高精密平移台，可以满足谐振子加工过程中车铣复合、多轴联动等需求，进而满足谐振子设计制造的苛刻形貌精度。

技术特征：

1.一种基于超快激光电子动态调控加工半球谐振子系统，其特征在于：包括超快激光器、光栅、衰减片组、光学快门、激光脉冲整形装置、超快反射镜、二向色镜、凸透镜、白光照明光源、ccd动态成像单元、激光振镜、精密五轴电控平移台、计算机；

2.根据权利要求1所述的基于超快激光电子动态调控加工半球谐振子系统，其特征在于：所述激光脉冲整形装置采用基于迈克尔逊干涉仪的超快激光双脉冲发生装置。

3.根据权利要求1所述的基于超快激光电子动态调控加工半球谐振子系统，其特征在于：所述超快激光器发出的超快激光能量为100μj,脉冲延时为0～10ps，扫描速度为20～100mm/s，激光振镜倍数为20×。

4.一种采用权利要求1-3任一所述的基于超快激光电子动态调控加工半球谐振子系统的方法，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的基于超快激光电子动态调控加工半球谐振子系统的方法，其特征在于：步骤2，通过超声方式进行清洗，先后通过三步骤清洗，清洗溶剂依次选用丙酮、酒精与蒸馏水，每步清洗时间为15分钟。

6.根据权利要求4所述的基于超快激光电子动态调控加工半球谐振子系统的方法，其特征在于，步骤4中：腐蚀溶液采用浓度为1mol/l的氢氟酸溶液，腐蚀浸泡时间为30秒。

技术总结
本发明属于惯性仪表与超精密加工技术领域，解决石英半球谐振子高质量加工问题，本发明涉及基于超快激光电子动态调控加工半球谐振子系统及方法，方法为：制备毛坯料；对毛坯料预清洗，去除毛坯料表面的污物：将清洗后的毛坯料置于精密五轴电控平移台上固定，开启并调整上述系统，将调整为脉冲序列的激光聚焦到熔融石英棒料表面，控制超快激光脉冲序列的加工参数和棒料的加工位置，加工出满足预设需求的石英半球谐振子；将加工成型的石英半球谐振子在腐蚀溶液中进行短时浸泡，得到最终满足装配条件的石英半球谐振子。本方法通过超快激光脉冲整形技术对熔融石英进行非接触式加工，搭配高精度五轴平移台，实现具有高形位精度和表面质量的石英半球谐振子。

技术研发人员：许晨阳,赵小明,赵丙权,姜澜,蒋效雄,刘仁龙,冯小波,丛正,李晨
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15