一种熔石英半球谐振子表层缺陷的CO2激光非蒸发式愈合调控装置及方法

本发明涉及熔石英半球谐振子表层修复，具体而言，涉及一种熔石英半球谐振子表层缺陷的co2激光非蒸发式愈合调控装置及方法。

背景技术：

1、熔石英半球谐振子是半球谐振陀螺的核心敏感构件，其品质因数、频率稳定性和振型对称性直接决定陀螺的零偏稳定性和长期服役性能。熔石英材料具有低热膨胀系数、低内耗和较高化学稳定性，但其硬脆特性使其在超精密磨削、抛光及后续修调过程中容易产生微裂纹、划痕、坑点、亚表层损伤等几何缺陷，并伴随si-o网络畸变、化学键断裂、氧空位中心和非桥接氧空穴中心等本征缺陷富集。

2、上述缺陷在半球谐振子振动过程中会造成局部应力集中、表层能量耗散增强和振动能量损失增加，进而降低品质因数并影响谐振器的振动稳定性。现有缺陷控制方法主要包括精密抛光、磁流变抛光、化学刻蚀、整体热退火和离子束处理等。精密抛光和磁流变抛光虽然能够改善表面粗糙度和局部面形，但属于接触式或准接触式材料去除过程，仍可能残留亚表层损伤；化学刻蚀存在形貌可控性差、反应残留和局部污染风险；整体退火会引起薄壁半球谐振子整体热变形和尺寸漂移，难以对微小缺陷区域进行局域调控。

3、co2激光波长通常为，熔石英对该波段激光具有较强吸收能力。若将 co2激光作用温度控制在高于软化温度且低于蒸发温度的非蒸发式区间，则可使熔石英表层材料发生局域软化和熔融流动，而不产生明显烧蚀坑或材料去除。该过程能够利用表面张力、热应变和黏性流动实现“去凸填凹”和缺陷边缘钝化，同时能够促进局部本征缺陷的热诱导重组。

4、然而，现有co2激光缺陷愈合研究主要面向平面熔石英光学元件，难以直接适用于具有薄壁曲面、内腔、唇沿和支撑杆结构的熔石英半球谐振子。半球谐振子的外球面和内球面均需要处理，但内表面可达性差，普通固定工件、移动激光的方式难以实现内外表面均匀覆盖。为此，需要一种以co2激光束固定、半球谐振子运动为核心的曲面扫描愈合方法和装置，实现熔石英半球谐振子内外曲面缺陷的非接触、高精度和低损伤愈合调控。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：

2、为了解决现有co2激光缺陷愈合方法难以应用于具有薄壁曲面、内腔、唇沿和支撑杆结构的熔石英半球谐振子，且未与半球谐振子振动品质因数提升直接关联的问题。

3、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：

4、本发明提供一种熔石英半球谐振子表层缺陷的co2激光非蒸发式愈合调控装置，包括 co2激光器、多轴运动平台、er 夹筒夹持组件、在线温度检测组件、缺陷检测组件、真空环降测试组件和控制器，

5、所述co2激光器用于射出固定激光束；所述多轴运动平台用于驱动熔石英半球谐振子相对于固定激光束进行平移、绕支撑杆轴线回转和绕内球面球心回转，所述多轴运动平台包括x向平移轴、y向平移轴、z向平移轴、第一回转轴c1和第二回转轴c2，通过x向平移轴、y向平移轴和 z 向平移轴调整固定激光束与熔石英半球谐振子的相对位置，所述第一回转轴 c1 用于控制熔石英半球谐振子绕支撑杆轴线回转，使固定激光束覆盖熔石英半球谐振子的周向位置，所述第二回转轴 c2用于控制熔石英半球谐振子在水平面内绕内球面球心回转，使固定激光束覆盖熔石英半球谐振子的子午向位置；所述 er 夹筒夹持组件设置在第二回转轴c2上，所述er 夹筒夹持组件上设有er夹头，所述er夹头用于在外球面处理时装夹熔石英半球谐振子的内杆、在内球面处理时装夹熔石英半球谐振子的外杆；所述在线温度检测组件用于获取激光作用区域温度；所述控制器用于根据缺陷位置、扫描路径和温度反馈调节激光功率、扫描速度和平台姿态；所述缺陷检测组件用于激光处理前的缺陷定位以及激光处理后的缺陷残留状态评价，缺陷检测组件包括几何缺陷检测单元和本征缺陷检测单元，所述几何缺陷检测单元用于获取微裂纹、划痕和坑点中的至少一种几何缺陷的位置、尺度及形貌；所述本征缺陷检测单元用于获取激光处理前后本征缺陷特征峰和熔石英网络结构的变化；所述真空环降测试组件用于对激光处理前、后的熔石英半球谐振子进行真空环降测试并获取其振动性能。

6、进一步地，所述co2激光器经过扩束整形组件、功率调制组件和固定式激光出射组件产生固定激光束，所述固定式激光出射组件用于保持激光束水平或近似水平固定出射。

7、一种熔石英半球谐振子表层缺陷的co2激光非蒸发式愈合调控装置的调控方法，包括以下步骤：

8、s1、采用缺陷检测组件对熔石英半球谐振子的外球面、内球面、唇沿区和杆部过渡区中的至少一种区域进行缺陷检测，获得几何缺陷和本征缺陷的空间分布以及缺陷形貌信息；

9、s2、根据步骤s1获得的缺陷空间分布和缺陷形貌信息，将待处理缺陷区域映射至熔石英半球谐振子的工件坐标系，确定待处理点坐标、局部曲率半径、表面法向和激光入射角，并结合缺陷类型、缺陷尺度及缺陷延伸方向生成激光扫描路径和多轴运动平台的对应位姿；

10、s3、保持co2激光束的空间位置和出射方向固定，将熔石英半球谐振子安装于多轴运动平台，通过多轴运动平台驱动熔石英半球谐振子相对于固定激光束进行平移和回转运动，使激光束扫描覆盖熔石英半球谐振子的外球面、内球面、唇沿区和杆部过渡区中的至少一种待处理区域；

11、s4、根据步骤s1获得的缺陷类型、缺陷空间分布和缺陷形貌信息和步骤s2确定的局部曲率半径和激光入射角以及预先建立的激光工艺参数与表层最高温度之间的热响应标定关系，确定激光功率、光斑尺寸、扫描速度、轨迹间距和重复扫描次数，并根据在线温度检测结果对激光功率、扫描速度或离焦量进行反馈调节，使待处理区域表层最高温度满足非蒸发式热作用条件；

12、s5、在步骤s4的非蒸发式热作用条件下，使待处理区域表层材料发生局域软化、熔融流动和表面重构，实现微裂纹、划痕、坑点中的至少一种几何缺陷的愈合、钝化或平整化；

13、s6、对几何缺陷愈合后的区域或本征缺陷富集区域进行低功率热调控或退火式扫描，使缺陷区域富集的断裂化学键、氧空位中心、非桥接氧空穴中心和受激三重态缺陷中的至少一种发生消减或重组；

14、s7、对激光处理后的熔石英半球谐振子进行表面缺陷检测和真空环降测试，根据表面缺陷残留状态和品质因数变化判断是否进行二次激光愈合或低功率退火处理。

15、进一步地，在步骤s1中，包括，

16、采用白光干涉仪和共聚焦显微镜中的至少一种对待处理区域进行表面形貌检测，获得微裂纹、划痕和坑点的位置、长度、宽度、延伸方向及残留深度；对于需要进行高分辨率复核的局部区域，采用扫描电子显微镜观察裂纹尖端、裂纹开口和缺陷边缘形貌；

17、采用荧光光谱仪和拉曼光谱仪中的至少一种对待处理区域进行点扫描或面扫描，获得与氧空位中心、非桥接氧空穴中心、受激三重态缺陷和si—o网络结构相关的光谱特征分布；将几何缺陷检测结果和本征缺陷检测结果按照统一定位基准进行配准，形成待处理缺陷区域的位置、类型和尺度信息。

18、进一步地，在步骤s2中，以熔石英半球谐振子的球面球心为坐标原点，以支撑杆轴线为z轴建立工件坐标系；对于外球面或内球面，待处理点坐标 表示为：

19、

20、式中，表示外球面，表示内球面，为对应球面半径，为子午向角度，为周向角度；外球面和内球面的局部曲率半径分别为对应的球面半径rout和rin；

21、外球面的表面法向量为：

22、

23、内球面的表面法向量为：

24、

25、固定激光束方向单位矢量记为，则固定激光束与待处理区域表面法向之间的激光入射角满足：

26、

27、根据待处理点坐标、表面法向和激光入射角确定激光扫描路径及多轴运动平台的对应位姿。

28、进一步地，在步骤s3中，当处理熔石英半球谐振子外球面时，装夹熔石英半球谐振子的内杆，使外球面、唇沿区和外侧过渡区域暴露于固定激光束可达范围内；当处理熔石英半球谐振子内球面时，装夹熔石英半球谐振子的外杆，使固定激光束能够从熔石英半球谐振子开口侧进入内腔并照射内球面待处理区域；同时通过第二回转轴 c2 控制熔石英半球谐振子绕内球面球心回转，以避开支撑杆和唇沿遮挡。

29、进一步地，在步骤s4中，根据预先建立的激光功率、光斑尺寸、扫描速度、离焦量与待处理区域表层最高温度之间的热响应标定关系确定初始工艺参数；在预设激光入射角范围内，对于倾斜入射区域采用如下近似功率补偿关系：

30、

31、式中，为近似垂直入射时的标定功率，为入射角为  时的补偿功率；

32、激光在作用面上的高斯光强表示为：

33、

34、式中， 为激光功率，为光斑半径，为距离光斑中心的径向距离；

35、熔石英表层温度场采用如下形式描述：

36、

37、式中，为材料密度，为比热容，为导热系数，为温度，为时间，为沉积热源；

38、待处理区域表层最高温度满足非蒸发式热作用条件为：

39、

40、式中，为熔石英软化温度，为熔石英蒸发温度，为激光作用区域表层最高温度；

41、几何缺陷愈合的温度区间为：

42、

43、当待处理区域为划痕缺陷或长条状沟槽缺陷时，使激光扫描方向与划痕延伸方向正交或近似正交；当待处理区域为微裂纹缺陷时，根据裂纹深度、裂纹开口宽度和裂纹倾角，选择单次非蒸发式愈合、多次低功率扫描或预热—主愈合—缓冷退火组合工艺；对于浅层径向裂纹，采用单次或少次数扫描；对于深层裂纹或倾斜裂纹，采用多次低功率扫描并降低单次扫描产生的温度梯度；对于划痕缺陷或长条状沟槽缺陷，利用非对称温度场诱导的熔融材料迁移对沟槽进行材料补偿和表面重构；对于微裂纹缺陷，使裂纹尖端钝化并使裂纹开口闭合或减小。

44、进一步地，在步骤s6中，当待处理区域以本征缺陷富集为主且无明显几何开口缺陷时，采用低功率热调控或退火式扫描，并将激光作用区域表层最高温度控制在：

45、

46、以使缺陷区域富集的断裂化学键、氧空位中心、非桥接氧空穴中心和受激三重态缺陷中的至少一种发生消减或重组；

47、在步骤s4至步骤s6的激光处理过程中，采用红外热像仪或双色红外测温仪对激光作用区域进行温度检测，由于熔石英在高温下发射率会随温度和表面状态变化，处理前采用标准热源或已知熔融阈值进行发射率标定，并结合有限元温度场仿真建立激光功率、光斑尺寸、扫描速度和表层峰值温度之间的标定关系；

48、控制误差定义为：

49、

50、式中，tset为根据几何缺陷愈合或本征缺陷调控要求确定的表层最高温度目标设定值；tmax为在线温度检测组件测得或经发射率标定修正后得到的激光作用区域实际表层最高温度；et为表层最高温度设定值与实际值之间的控制误差；

51、当低于设定温度时，通过控制器控制提高激光功率或降低扫描速度；当高于设定温度时，通过控制器控制降低激光功率、提高扫描速度或增大离焦量；当接近蒸发温度阈值时，通过控制器控制立即关闭激光或执行快速离焦，避免产生烧蚀坑、气泡和热凸起。

52、进一步地，在步骤s1和步骤s7中，缺陷检测包括激光处理前检测和激光处理后评价；

53、步骤s1中的激光处理前检测用于确定缺陷位置、缺陷类型、缺陷尺度和本征缺陷分布；步骤s7中的激光处理后评价用于检测几何缺陷残留状态、本征缺陷变化和振动性能变化；

54、检测方式包括白光干涉检测、共聚焦显微检测、扫描电子显微检测、荧光光谱检测、拉曼光谱检测和真空环降测试中的至少一种。

55、进一步地，在步骤s7中，根据步骤s1和步骤s7分别获得的激光处理前、后检测结果，

56、处理前后本征缺陷降低比例按下式计算：

57、

58、式中，为第类本征缺陷的降低比例，为激光处理前的缺陷特征峰强度，为激光处理后的缺陷特征峰强度；

59、若几何缺陷残留深度降低、本征缺陷特征峰强度降低且未出现烧蚀坑、气泡、明显凸起或热变形，则判定局部激光愈合有效；

60、将处理前后的熔石英半球谐振子安装于真空环降测试系统中，激励其工作模态并采集自由衰减响应；所述真空环降测试获得振动响应包络为：

61、

62、并按下式计算品质因数q：

63、

64、式中，为振动响应幅值，为初始幅值，为衰减时间常数，为谐振频率；当激光处理后品质因数提高且表面缺陷残留低于预设阈值时，判定激光愈合调控完成。

65、相较于现有技术，本发明的有益效果是：

66、第一，本发明采用 co2激光非蒸发式局域加热，不依赖机械接触、化学刻蚀或整体高温退火，可降低二次损伤、化学污染和整体热变形风险。

67、第二，本发明采用固定激光束和半球谐振子多轴运动相结合的方式，通过c1 轴实现周向覆盖，通过 c2轴实现子午向覆盖，可同时处理外球面、内球面、唇沿区和杆部过渡区，解决半球谐振子内外曲面可达性差的问题。

68、第三，本发明采用 er 夹筒和夹头装夹半球谐振子，并根据外球面处理和内球面处理分别选择内杆装夹或外杆装夹方式，使待处理曲面暴露于激光可达范围内，同时降低装夹区域对激光路径的遮挡。

69、第四，本发明将几何缺陷愈合和本征缺陷调控分层处理，先通过非蒸发式温度窗口实现微裂纹、划痕和坑点愈合，再通过低功率退火式扫描降低本征缺陷和热应力。

70、第五，本发明引入在线温度检测和仿真标定控制，可避免温度过低导致愈合不足，也可避免温度过高导致烧蚀、气泡、热凸起和表面波纹。

71、第六，本发明以真空环降品质因数作为最终评价指标，将表层缺陷愈合与半球谐振子振动性能提升直接关联。在实施例中，处理后半球谐振子的品质因数可由约提高至约。