CN114055322B - 一种kdp表面微缺陷仿形潮解修复装置及修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种KDP表面微缺陷仿形潮解修复装置及修复方法，包括机器视觉系统、仿形抛光头、连接结构、负压装置、微水雾通道和微细冷等离子体通道、负压孔以及待修复表面微缺陷的KDP晶体。本发明采用仿形抛光头，结合KDP表面微缺陷精准识别定位、微细冷等离子体超亲水改性，实现微缺陷仿形潮解抛光修复。本发明的有益效果如下：可使水介质在仿形抛光头和待修复区域之间均匀铺陈，潮解速率和区域可控，避免修复过程中新的缺陷引入，在微缺陷修复之后可获得理想的球形或高斯型曲面。

Description

一种KDP表面微缺陷仿形潮解修复装置及修复方法

【技术领域】

本发明涉及易潮解KDP表面的超精密加工技术领域，尤其涉及一种KDP表面微缺陷仿形潮解修复装置及修复方法。

【背景技术】

KDP是目前唯一可用于高能激光电路系统中的激光倍频、电光调制和光电开关器件的非线性光学材料。由于KDP具有软脆、易潮解、对加工温度极为敏感等特点，在加工和服役过程中，极易产生表面微缺陷，并显著降低其光学性能和使用寿命，最终导致KDP报废。目前KDP微缺陷去除的方法和存在的问题：1)利用CO₂激光熔融、飞秒脉冲激光烧灼以及微机械加工等方法对KDP表面缺陷进行修复，结果表明了微机械加工具有可控性好、性能稳定性较好的优势，但是导致KDP存在规律刀痕、且粗糙度较大；2)基于AFM探针的溶剂介导方法对KDP表面损伤点进行修复，其修复后的晶体内部光强接近理想表面，但是仅能修复微米级以下的微缺陷，效率低，不能工程应用；3)蘸水笔蚀刻KDP表面微缺陷，此方法可以避免引入刀痕和亚表面损伤等缺陷，但是潮解后的表面存在小尺度波纹，会降低激光损伤阈值，而且潮解区域不可控，无法获得理想的球形或高斯型曲面。

目前，微机械修复虽已基本满足实际需求，但修复中仍会产生刀痕、热应力、亚表面损伤等缺陷，且修复区表面质量与损伤前差距较大。由于机械加工的本质特性，即使进行工艺优化和提高装备精度上述问题也难以彻底解决，因此必须探索新的高质高效低损伤修复工艺。KDP晶体易潮解为微缺陷实现高质量修复提供了新思路，但是潮解表面的小尺度波纹、效率低、潮解区域不可控等问题，导致该工艺无法获得理想的修复曲面。

【发明内容】

本发明的目的是为了公开一种KDP表面微缺陷仿形潮解修复装置及修复方法，其可以解决潮解表面小尺度波纹、效率低、潮解区域不可控等技术问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种KDP表面微缺陷仿形潮解修复装置，包括仿形抛光头8和机器视觉系统7；所述仿形抛光头8中部成形有微水雾通道5和微细冷等离子体通道6，仿形抛光头8外周的形成有若干负压孔4；负压孔4连通有负压装置3；

所述机器视觉系统7用于识别和定位KDP晶体1表面的微缺陷；

所述微细冷等离子体通道6用于通入微细冷等离子体，将KDP晶体1的微缺陷进行超亲水改性；

所述微水雾通道5用于通入微水雾对超亲水改性后的KDP晶体1表面的微缺陷进行潮解；负压孔4用于形成负压，以限制微细冷等离子体和微水雾铺陈区域。

进一步的改进，所述机器视觉系统7还用于根据位KDP晶体1表面的微缺陷的形状和确定选用的仿形抛光头8的形状和大小，以及各负压孔4的负压值。

进一步的改进，所述仿形抛光头8通过连接结构2安装在机床上。

进一步的改进，所述KDP晶体1表面的微缺陷包括微凹坑、凸起、裂纹、划痕、破裂和烧伤。

进一步的改进，所述机器视觉系统7采集KDP晶体1表面的微缺陷图案作为训练数据，采用深度学习的方法构建微缺陷识别模型；之后将采集到的具有微缺陷的待修复的KDP表面图像与训练数据比对，构建微缺陷类别、尺度以及仿形抛光头与修复轮廓的映射关系，辅助决策仿形抛光头形状及宽深比的选择方案，实现对微缺陷的识别和定位以及仿形抛光头的选用；在修复时，实现精准对刀之后，微水雾和微细冷等离子体通过所述微水雾通道和所述微细冷等离子体通道进入与修复轮廓相对应的仿形抛光头，然后输送至KDP晶体1的微缺陷待修复界面进行修复。

进一步的改进，所述映射关系的获得方法如下：首先由机器视觉系统7获取待修复KDP表面微缺陷的形状轮廓，确定微缺陷类型；由于不同类型的缺陷使待修复区的深度不同，因此根据不同缺陷类型设计以宽深比作为划分要求的系列仿形抛光头；在确定微缺陷类型之后，由机器视觉系统拟合得到微缺陷形状轮廓的最小外接圆，最后，综合微缺陷类型和待修复区外接圆的尺寸选用相同规格的球形、高斯型曲面仿形抛光头，从而使KDP晶体的修复区域达到最小。

进一步的改进，当待修复KDP表面微缺陷的宽深比在5～10之间时，选用球面型仿形抛光头；当待修复KDP表面微缺陷的宽深比大于10时选用高斯型仿形抛光头；所述高斯型仿形抛光头的参数有最大直径、中位直径和圆弧直径，所述待修复KDP表面微缺陷尺度范围为10μm～2mm量级。

进一步的改进，所述微细冷等离子体通道6连通有微细冷等离子体供给装置；微水雾通道5连通有微水雾供给装置；微细冷等离子体通道6利用微细冷等离子体对KDP表面微缺陷与仿形抛光头之间进行实时超亲水改性后，超亲水改性后的微缺陷界面吸附微水雾，实现仿形潮解；通过控制微水雾的供给流量和仿形抛光头与工件之间的间隙，实现含水量的调节调控潮解速率，并且通过所述负压装置，将微量水分限制在仿形潮解区域，实现可控仿形潮解。

一种KDP表面微缺陷仿形潮解的修复方法，包括如下步骤：

步骤一、对含有表面微缺陷待修复的KDP晶体1进行清洁、擦拭等预处理之后固定在机床上；

步骤二、将仿形抛光头8通过连接结构2安装在机床上，启动机器视觉系统7，对KDP表面的微缺陷进行精准识别和定位，并根据缺陷类型为仿形抛光头的选用提供辅助决策，由机床实现精准对刀；

步骤三、启动负压装置3，限制微细冷等离子体和微水雾铺陈区域，将微水雾限制在待修复区域，将扩散的微细冷等离子体和微水雾通过负压吸除；

步骤四、将微细冷等离子体注入微细冷等离子体通道6；将微水雾供给装置产生的微水雾注入微水雾通道5；

步骤五、启动机床，对待修复的KDP的表面进行仿形潮解抛光修复，直至完成修复过程。

步骤六、关闭所有装置，取出完成微缺陷修复后的KDP晶体，在气体射流干燥后处理后放置在干燥无尘的区域。

进一步的改进，所述微细冷等离子由工作气体借助低压等离子体电源产生；工作气体包括N₂、He和Ar；控制低压等离子体电源产生直径1-500μm的微细冷等离子体，将仿形抛光头和KDP表面微缺陷之间实时改性为超亲水表面。

在本发明中，利用微细冷等离子体对KDP表面微缺陷进行超亲水改性后，超亲水界面吸附微水雾，实现仿形潮解；通过控制微水雾的供给流量和仿形抛光头与工件之间的间隙，实现含水量的调节，精准调控潮解速率，并且开启所述负压装置，将微量水分限制在仿形潮解区域，实现可控仿形潮解。

本发明的有益效果如下：通过机器视觉系统实现KDP表面尺度微米至毫米量级的微缺陷定位和仿形抛光头的对刀，采用深度学习的方法，处理采集的图像，实现微缺陷精准识别，并根据微缺陷类别和尺度辅助决策仿形抛光头的选用。同时利用微细冷等离子体超亲水改性的原理，在精准对刀后，仿形抛光头对准KDP的表面微缺陷，由微细冷等离子体对微缺陷区域进行仿形超亲水改性，注入的微水雾在仿形抛光头和待修复区域之间均匀铺陈，潮解速率和区域可控，为限制超亲水改性区域和微水雾铺陈区域，通过连接结构上的负压孔将扩散的微细冷等离子体和微水雾进行负压吸除，在微缺陷修复之后可获得理想的球形或高斯型曲面。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明一种KDP表面微缺陷仿形潮解修复装置的结构示意图；

图2为本发明连接结构的结构示意图；

图3为本发明系列化仿形抛光头的形状示意图；

图4为本发明冷等离子辅助仿形潮解抛光修复KDP表面微缺陷的工艺流程。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本发明提供一种KDP表面微缺陷仿形潮解修复装置，包括含表面微缺陷的待修复的KDP晶体1、连接结构2、负压装置3、负压孔4、微水雾通道5、微细冷等离子体通道6、机器视觉系统7、仿形抛光头8。

所述存在表面微缺陷的KDP晶体固定于机床上，所述仿型抛光头安装于连接结构，所述连接结构安装于机床，所述负压装置连接于所述负压孔内，所述机器视觉系统用于对KDP表面的微缺陷定位和辅助决策仿型抛光头的选用及对刀，所述微水雾通道和微细冷等离子体通道用于注入微水雾和微细冷等离子体。

所述等离子体包括但不限于N₂、He、Ar三种工作气体。

结合图2所示，在所述连接结构2的具体实施例中，所述连接结构2上端设有外螺纹，用于连接机床，所述连接结构2下端设有内螺纹，用于与所述仿形抛光头8的外螺纹进行配合。

结合图3所示，微缺陷修复实验旨在通过设计制造仿形抛光头，对仿形潮解抛光后的修复质量、效率和表面损伤进行表征，获得工艺参数与修复轮廓映射关系，掌握修复轮廓的创成机理。仿形抛光头以宽深比作为划分标准，设计如图3所示的系列抛光头。在微缺陷修复过程中，仿形抛光头只需高速旋转和沿轴向微进给，无需复杂的运动轨迹，可大幅提高修复效率。

结合图4所示，在本发明提供的修复方法中，首先对微缺陷进行定位识别，然后由微细冷等离子体对该微缺陷进行超亲水改性，使微水雾在该区域内进行仿形均匀潮解，之后由对刀后的仿形抛光头将微缺陷抛光去除，最后将完成修复的KDP晶体经气体射流干燥后放置在干燥无尘的区域。

本发明还提供了一种根据所述的一种KDP表面微缺陷仿形潮解修复装置的修复方法，包括如下步骤：

步骤一、对含有表面微缺陷待修复的KDP(1)进行预处理之后固定在机床上；

步骤二、将仿形抛光头(8)安装在连接结构(2)下的内螺纹上，启动机器视觉系统(7)，对KDP表面的微缺陷进行精准识别和定位，并根据缺陷类型为仿形抛光头的选用提供辅助决策，由机床实现精准对刀；

步骤三、启动负压装置(3)，限制微细冷等离子体和微水雾铺陈区域，将微水雾限制在待修复区域，将扩散的微细冷等离子体和微水雾通过负压吸除；

步骤四、将N₂、He、Ar等工作气体借助低压等离子体电源，产生的宏观温度低、超亲水改性效能高的微细冷等离子体注入微细冷等离子体通道(6)；将微水雾供给装置产生的微水雾注入微水雾通道(5)；

具体的，通过采用合适的等离子体驱动电源和放电结构，优化气体流量、压力、驱动电压等参数，产生直径1-500μm的微细冷等离子体，将仿形抛光头和KDP表面微缺陷之间实时改性为超亲水表面。

步骤五、启动机床，对待修复的KDP的表面进行仿形潮解抛光修复，直至完成修复过程。

需要进一步说明的是，微水雾所用液体采用去离子水，通过控制微水雾的供给流量和仿形抛光头与工件之间的间隙，实现含水量的调节，精准调控潮解速率，并且开启所述负压装置，将微量水分限制在仿形潮解区域，实现可控仿形潮解。

步骤六、关闭所有装置，取出完成微缺陷修复后的KDP晶体，在气体射流干燥等后处理后放置在干燥无尘的区域。

本发明还提供的一种KDP表面微缺陷仿形潮解修复装置的修复方法，利用微细冷等离子体实时将待修复的KDP表面改性为超亲水表面，使微水雾在该区域内均匀铺陈，为将超亲水改性区域和微水雾铺陈区域限制在待修复区域，将扩散的微细冷等离子体和微水雾通过负压进行吸除，且通过机器视觉系统对待修复KDP表面的微缺陷进行精准识别和定位，并根据缺陷类型为仿形抛光头的选用提供辅助决策。从而解决传统潮解方法潮解表面小尺度波纹、效率低、潮解区域不可控等问题。

本发明的有益效果如下：通过机器视觉系统实现KDP表面尺度微米至毫米量级的微缺陷定位和仿形抛光头的对刀，采用深度学习的方法，处理采集的图像，实现微缺陷精准识别，并根据微缺陷类别和尺度辅助决策仿形抛光头的选用。同时利用微细冷等离子体超亲水改性的原理，在精准对刀后，仿形抛光头对准KDP的表面微缺陷，由微细冷等离子体对微缺陷区域进行仿形超亲水改性，注入的微水雾在仿形抛光头和待修复区域之间均匀铺陈，潮解速率和区域可控，为限制超亲水改性区域和微水雾铺陈区域，通过连接结构上的负压孔将扩散的微细冷等离子体和微水雾进行负压吸除，在微缺陷修复之后可获得理想的球形或高斯型曲面。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种KDP表面微缺陷仿形潮解修复装置，其特征在于，包括仿形抛光头(8)和机器视觉系统(7)；所述仿形抛光头(8)中部成形有微水雾通道(5)和微细冷等离子体通道(6)，仿形抛光头(8)外周的形成有若干负压孔(4)；负压孔(4)连通有负压装置(3)；

所述机器视觉系统(7)用于识别和定位KDP晶体(1)表面的微缺陷；

所述微细冷等离子体通道(6)用于通入微细冷等离子体，将KDP晶体(1)的微缺陷进行超亲水改性；

所述微水雾通道(5)用于通入微水雾对超亲水改性后的KDP晶体(1)表面的微缺陷进行潮解；

负压孔(4)用于形成负压，以限制微细冷等离子体和微水雾铺陈区域；所述机器视觉系统(7)采集KDP晶体(1)表面的微缺陷图案作为训练数据，采用深度学习的方法构建微缺陷识别模型；之后将采集到的具有微缺陷的待修复的KDP表面图像与训练数据比对，构建微缺陷类别、尺度以及仿形抛光头与修复轮廓的映射关系，辅助决策仿形抛光头形状及宽深比的选择方案，实现对微缺陷的识别和定位以及仿形抛光头的选用；在修复时，实现精准对刀之后，微水雾和微细冷等离子体通过所述微水雾通道和所述微细冷等离子体通道进入与修复轮廓相对应的仿形抛光头，然后输送至KDP晶体(1)的微缺陷待修复界面进行修复。

2.如权利要求1所述的一 种KDP表面微缺陷仿形潮解修复装置，其特征在于，所述机器视觉系统(7)还用于根据KDP晶体(1)表面的微缺陷的形状和确定选用的仿形抛光头(8)的形状和大小，以及各负压孔(4)的负压值。

3.如权利要求1所述的一 种KDP表面微缺陷仿形潮解修复装置，其特征在于，所述仿形抛光头(8)通过连接结构(2)安装在机床上。

4.如权利要求1所述的一 种KDP表面微缺陷仿形潮解修复装置，其特征在于，所述KDP晶体(1)表面的微缺陷包括微凹坑、凸起、裂纹、划痕、破裂和烧伤。

5.如权利要求1所述的一 种KDP表面微缺陷仿形潮解修复装置，其特征在于，所述映射关系的获得方法如下：首先由机器视觉系统(7)获取待修复KDP表面微缺陷的形状轮廓，确定微缺陷类型；由于不同类型的缺陷使待修复区的深度不同，因此根据不同缺陷类型设计以宽深比作为划分要求的系列仿形抛光头；在确定微缺陷类型之后，由机器视觉系统拟合得到微缺陷形状轮廓的最小外接圆，最后，综合微缺陷类型和待修复区外接圆的尺寸选用相同规格的球形、高斯型曲面仿形抛光头，从而使KDP晶体的修复区域达到最小。

6.如权利要求5所述的一 种KDP表面微缺陷仿形潮解修复装置，其特征在于，当待修复KDP表面微缺陷的宽深比在5～10之间时，选用球面型仿形抛光头；当待修复KDP表面微缺陷的宽深比大于10时选用高斯型仿形抛光头；所述高斯型仿形抛光头的参数有最大直径、中位直径和圆弧直径，所述待修复KDP表面微缺陷尺度范围为10μm～2mm量级。

7.如权利要求1所述的一 种KDP表面微缺陷仿形潮解修复装置，其特征在于，所述微细冷等离子体通道(6)连通有微细冷等离子体供给装置；微水雾通道(5)连通有微水雾供给装置；微细冷等离子体通道(6)利用微细冷等离子体对KDP表面微缺陷与仿形抛光头之间进行实时超亲水改性后，超亲水改性后的微缺陷界面吸附微水雾，实现仿形潮解；通过控制微水雾的供给流量和仿形抛光头与工件之间的间隙，实现含水量的调节调控潮解速率，并且通过所述负压装置，将微量水分限制在仿形潮解区域，实现可控仿形潮解。

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