專利名稱：適用于大口徑非球面光學零件的大氣等離子體加工裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學加工領域。
背景技術：
計算機控制光學表面成形技術CCOS (Computer Controlled OpticalSurfacing)，是20世紀70年代發(fā)展起來的一項光學加工技術。CCOS技術隨著計算機技術的發(fā)展進一步完善，大大推動了光學零件制造技術的發(fā)展，特別是在大口徑、高精度非球面的拋光加工中降低了對操作者經驗技術的要求，并提高了重復性。非球面光學零件具有矯正像差可得到更高的成像質量，提高光學系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性，簡化系統(tǒng)結構等優(yōu)點，在激光聚變裝置、高能激光、紅外熱成像、空間探測光學系統(tǒng)中有著重要的應用和極大的需求。隨著現代光學系統(tǒng)的發(fā)展，對非球面光學零件提出了越來越高的要求。一方面，隨著空間探測技術的需要，現代大型空間望遠鏡、超大型天文望遠鏡領域為了提高分辨率，對探測鏡的口徑越來越大，其主反射鏡直徑到達數米甚至由非球面子鏡拼接至幾十米。另一方面，在強激光系統(tǒng)中，為了減小散射損失，提高抗破壞閾值，對光學零件表面提出無表層和亞表層損傷的要求。大氣等離子體加工技術是近年來提出的一種新型光學零件加工方法，特別針對融石英玻璃、超低膨脹玻璃、微晶玻璃、碳化硅等硬脆難加工材料的加工新方法。它是在大氣壓環(huán)境條件下利用射頻電源激發(fā)出的具有高密度高反應活性的反應原子與工件表面原子發(fā)生化學反應，生成具有揮發(fā)性的反應產物來實現材料的去除。大氣等離子體加工技術是完全依靠化學反應的方式實現對材料的去除，不存在表面和亞表面損傷，同時激發(fā)的高濃度的反應活性原子保證了 高的去除效率。由于大氣等離子體拋光技術在拋光大口徑非球面光學元件上的優(yōu)勢，并且隨著大口徑非球面光學元件需求量的日益增長，國內應用于大口徑非球面光學元件超精密加工的大氣等離子體拋光裝置的研究也迫在眉睫。目前，大氣等離子體拋光裝置多采用同軸或平板式射流放電形式，還沒有適用于大口徑非球面光學零件的大氣等離子體加工的旋轉電極放電裝置。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于大口徑非球面光學零件的大氣等離子體加工裝置，為了解決傳統(tǒng)的機械拋光技術存在的低加工效率而無法滿足光學領域對大口徑光學元件的大批量需求的問題。所述的目的是通過以下方案實現的:所述的一種適用于大口徑非球面光學零件的大氣等離子體加工裝置，它由旋轉電極、密封罩、混合等離子體氣源、射頻電源、龍門加工機床組成；
旋轉電極設置在密封罩內，密封罩的下端有開口，密封罩的內腔通過氣管與混合等離子體氣源導氣連通，旋轉電極與射頻電源的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；密封罩的上端絕緣連接在龍門加工機床的豎直運動工作平臺上，將待加工光學零件裝卡在龍門加工機床的水平運動工作平臺上；將龍門加工機床的工作平臺與射頻電源相連并接地作為大氣等離子體放電的陰極；旋轉電極與待加工光學零件的待加工表面之間設置有放電間隙，放電間隙的間隙范圍為:100μπι 3_;合等離子體氣源包含反應氣體、等離子體激發(fā)氣體和輔助氣體，所述反應氣體與等離子體激發(fā)氣體的流量比為1:l(Tl:1000，輔助氣體與反應氣體的流量比為1: (Γι:1。本發(fā)明與現有技術相比具有下列優(yōu)點:
1、它具有結構控制簡單、適用范圍廣、加工能力強的大氣等離子體加工的旋轉電極放電裝置，該大氣等離子體加工裝置適用于大口徑非球面光學零件加工要求，旋轉電極帶動氣流不僅可以起到冷卻作用，而且有利于化學加工反應產物及時脫離工件表面。2、本發(fā)明采用了旋轉式大氣等離子體放電裝置，高速旋轉的電極使進入電極和工件之間放電區(qū)域的反應氣體大大增加，使電離出活性離子的濃度增強，大大提高大口徑光學零件的加工效率，縮短加工周期；
3、本發(fā)明中旋轉電極帶動加工區(qū)域氣體的流動速率，促進大氣等離子體化學加工的生成物盡快脫離工件表面，減少電離生成的原子基團在工件表面附著生成沉積，提高加工表面質量；
4、本發(fā)明中高速旋轉的電極帶動氣體從電極內部進入放電間隙，無需對放電電極進行冷卻，同時減少了等離子體放電時產生的熱量對加工的影響。


圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一:如圖1所示，它是由旋轉電極1、密封罩2、混合等離子體氣源3、射頻電源4、龍門加工機床5組成；
旋轉電極I設置在密封罩2內，密封罩2的下端有開口 2-1，密封罩2的內腔通過氣管2-2與混合等離子體氣源3導氣連通，旋轉電極I與射頻電源4的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；密封罩2的上端絕緣連接在龍門加工機床5的豎直運動工作平臺5-2上，將待加工光學零件6裝卡在龍門加工機床5的水平運動工作平臺5-1上；將龍門加工機床5的工作平臺5-1與射頻電源4相連并接地作為大氣等離子體放電的陰極；旋轉電極I與待加工光學零件6的待加工表面之間設置有放電間隙,放電間隙的間隙范圍為:100 μ m 3mm ;合等離子體氣源3包含反應氣體、等離子體激發(fā)氣體和輔助氣體，所述反應氣體與等離子體激發(fā)氣體的流量比為1:1(Γ1:1000，輔助氣體與反應氣體的流量比為1:l(Tl:1。所述混合等離子體氣源3中的等離子體激發(fā)氣體為氦氣或氬氣；反應氣體為六氟化硫、四氟化碳或三氟化氮；輔助氣體為氧氣、氫氣或氮氣。所述大氣等離子旋轉電極I為輪型電極、球型電極、圓柱型電極或片狀電極；所述大氣等離子旋轉電極I的材質為鋁，并在表面鍍有一層厚度為1-3 μ m的氧化膜。所述龍門加工機床5為龍門銑床或龍門刨床。所述的龍門加工機床5的豎直運動工作平臺5-2由一個豎直運動模塊和小范圍擺動模塊組成；豎直運動模塊的運動行程范圍為:0-200mm，擺動模塊的擺動范圍為:_45° +45。。所述射頻電源4的頻率為13.56MHz或27.12MHz，最大功率為2KW。所述混合等離子體氣源3為三元氣體混合系統(tǒng)，供氣流量為20_100L/min。所述待加工光學零件6的材質可為石英玻璃、超低膨脹玻璃、微晶玻璃、碳化硅。工作原理:由射頻電源4輸出端連接旋轉電極I作為大氣等離子體放電的陽極，零件工作臺接地作為大氣等離子體放電的地電極，由混合等離子體氣源3提供激發(fā)產生等離子體的氣體充滿等旋轉電極和零件之間的間隙，由射頻電源4提供輸出電能，在旋轉電極I和待加工光學零件6的放電間隙產生等離子體，同時反應氣體被激發(fā)，產生具有反應活性的原子與待加工光學零件6的表面發(fā)生化學反應，并生成揮發(fā)性的反應產物被旋轉的等離子體電極帶離零 件表面，由此實現對大口徑光學零件的無損傷快速加工。
權利要求
1.適用于大口徑非球面光學零件的大氣等離子體加工裝置，其特征在于它由旋轉電極(I)、密封罩(2)、混合等離子體氣源(3)、射頻電源(4)、龍門加工機床(5)組成； 旋轉電極(I)設置在密封罩(2)內，密封罩(2)的下端有開口(2-1),密封罩(2)的內腔通過氣管(2-2)與混合等離子體氣源(3)導氣連通，旋轉電極(I)與射頻電源(4)的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；密封罩(2)的上端絕緣連接在龍門加工機床(5)的豎直運動工作平臺(5-2)上，將待加工光學零件(6)裝卡在龍門加工機床(5)的水平運動工作平臺(5-1)上；將龍門加工機床(5)的工作平臺(5-1)與射頻電源(4)相連并接地作為大氣等離子體放電的陰極；旋轉電極(I)與待加工光學零件(6)的待加工表面之間設置有放電間隙，放電間隙的間隙范圍為:100μπι 3_;合等離子體氣源(3)包含反應氣體、等離子體激發(fā)氣體和輔助氣體，所述反應氣體與等離子體激發(fā)氣體的流量比為1:l(Tl:1000，輔助氣體與反應氣體的流量比為1:l(Tl:1。
2.根據權利要求1所述的適用于大口徑非球面光學零件的大氣等離子體加工裝置，其特征在于所述的龍門加工機床(5)的豎直運動工作平臺(5-2)由一個豎直運動模塊和小范圍擺動模塊組成；豎直運動模塊的運動行程范圍為:0-200mm，擺動模塊的擺動范圍為:-45° +45。。
3.根據權利要求1所述的適用于大口徑非球面光學零件的大氣等離子體加工裝置，其特征在于所述混合等離子體氣源(3)中的等離子體激發(fā)氣體為氦氣或氬氣；反應氣體為六氟化硫、四氟化碳或三氟化氮；輔助氣體為氧氣、氫氣或氮氣。
4.根據權利要求1所述的適用于大口徑非球面光學零件的大氣等離子體加工裝置，其特征在于所述大氣等離子旋轉電極(I)為輪型電極、球型電極、圓柱型電極或片狀電極；所述大氣等離子旋轉電極 (I)的材質為鋁，并在表面鍍有一層厚度為1-3 μ m的氧化膜。
全文摘要
適用于大口徑非球面光學零件的大氣等離子體加工裝置，本發(fā)明屬于光學加工領域。它是為了解決傳統(tǒng)的機械拋光技術存在的低加工效率而無法滿足光學領域對大口徑光學元件的大批量需求的問題。它的旋轉電極設置在密封罩內，旋轉電極與射頻電源的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；密封罩的上端絕緣連接在工作軸上，將待加工光學零件裝卡在工作平臺上；工作平臺接地作為大氣等離子體放電的陰極；旋轉電極與待加工光學零件的待加工表面之間設置有放電間隙。本發(fā)明能對大口徑非球面光學表面進行非接觸式大氣等離子體加工，加工速度高，不存在邊緣效應問題。
文檔編號H01J37/32GK103227093SQ201310177069
公開日2013年7月31日 申請日期2013年5月14日 優(yōu)先權日2013年5月14日
發(fā)明者王波, 金會良, 姚英學, 李娜, 車琳, 辛強, 金江, 李鐸 申請人:哈爾濱工業(yè)大學