一种基于双螺旋线加工轨迹的回转对称非平面光学增透构件的超快激光制造方法
本发明涉及红外窗口加工及应用，尤其涉及一种基于双螺旋线加工轨迹的回转对称非平面光学增透构件的超快激光制造方法。
背景技术：
1、在红外制导、光电侦察、目标探测及机载光电系统中，光学窗口、整流罩及曲面透镜等构件承担着红外辐射传输、光学成像和外部防护等重要作用，其透射性能直接影响系统的探测距离、成像质量和目标识别能力。为降低光学构件表面的反射损耗、提高有效透射率，可在其表面构筑具有特定构型和周期的增透微结构。回转对称非平面光学构件具有连续变化的曲面轮廓，其表面微结构制造难度明显高于平面构件，而超快激光具有非接触、加工精度高、热影响区域小及无需掩膜等特点，为非平面光学增透构件的高精度制造提供了有效技术手段。
2、目前，超快激光微结构加工多针对平面构件开展，对于回转对称非平面光学构件，由于其表面高度和曲率随径向位置连续变化，直接采用平面加工方法难以保证不同位置具有一致的聚焦或离焦状态；同时，大面积加工过程中不同半径位置的线速度不同，激光脉冲频率、运动速度与微结构加工周期之间需要准确匹配，否则容易造成微结构周期和形貌不一致。此外，传统逐圈或单螺旋连续加工方式容易使空间相邻区域在较短时间内连续受到激光作用，在小周期微结构加工时易产生局部热累积，影响微结构加工质量和一致性。因此，如何根据非平面构件面形建立加工基准，并实现加工轨迹、运动参数和激光参数之间的协同匹配，是回转对称非平面光学构件增透微结构制造中需要解决的问题。
3、针对回转对称非平面光学构件表面增透微结构的大面积制造需求，需要一种能够兼顾曲面定位、面形采样、轨迹规划及加工参数匹配的超快激光制造方法，实现不同加工位置离焦量的稳定控制，并根据增透微结构构型、加工周期及不同加工半径合理匹配运动参数与激光参数，同时降低小周期连续加工产生的局部热累积影响，从而提高非平面光学构件表面增透微结构的加工精度和一致性。
技术实现思路
1、针对以上问题，本发明提出了一种基于双螺旋线加工轨迹的回转对称非平面光学增透构件的超快激光制造方法，其目的是为了实现回转对称非平面光学构件表面增透微结构的高精度、高一致性及低热影响大面积制造。
2、本发明目的通过下述技术方案实现：
3、一种基于双螺旋线加工轨迹的回转对称非平面光学增透构件的超快激光制造方法，其特征在于，包括：
4、飞秒激光器、扩束准直模块、多脉冲模块、光束传输模块、空间光束整形模块、同轴观测模块、激光精准随动模组、回转对称非平光学构件、精密运动平台、控制系统；
5、飞秒激光器，所述飞秒激光器用于输出高斯光束，可输出波长为1030nm、脉冲宽度范围为100fs~10ps，脉冲频率范围为1hz~1000khz；
6、扩束准直模块，所述扩束准直模块包括沿光束传播方向依次设置的凹透镜和凸透镜，所述凹透镜与凸透镜的焦距之比根据预设光束扩束倍率确定，以实现激光光束的扩束和准直；
7、多脉冲模块，所述多脉冲模块包括分束镜、反射镜、可调延迟光路和平移调节机构，所述分束镜将输入激光分为参考光路和延迟光路，所述延迟光路通过调节光程差改变脉冲时间间隔，并与参考光路经合束镜形成时间间隔可调的多脉冲激光；
8、光束传输模块，所述光束传输模块包括高精度金属膜反射镜和二向色镜，二者的镜面均与水平面呈45°设置，其对波长为1030nm的激光反射率大于＞98%;所述二向色镜用于透射所述1030nm激光并反射可见光，其对所述1030nm激光的透射率＞90%，对可见光的反射率＞98%；
9、空间光束整形模块，所述空间光束整形模块沿光束传播方向依次设置锥透镜、凸透镜和物镜；所述锥透镜锥顶角为173°~178°，所述凸透镜焦距为50~150mm、所述物镜倍数为10~100倍，可将高斯光束整形为焦深更长的贝塞尔光束；
10、激光精准随动模组，所述激光精准随动模组用于带动空间光束整形模块和同轴观察模块同步运动，使锥透镜与物镜之间的间距保持不变，以维持贝塞尔光束的整形状态并使其持续聚焦于光学构件表面；
11、控制系统，所述控制系统用于控制精密运动平台的运动以及飞秒激光器的出光时机，使精密运动平台按照预定加工轨迹运动，并与飞秒激光器的出光协同配合，实现光学构件表面的激光加工；
12、所述双螺旋线加工轨迹的回转对称非平面光学增透构件的超快激光制造方法包括如下步骤：
13、s1、对待加工的回转对称非平面光学构件进行清洗并固定于精密运动平台上，调整光学构件的位置，使激光中心与回转对称非平面光学构件的旋转中心重合；通过精密运动平台的俯仰机构调整光学构件的安装姿态，使其处于水平状态，完成加工前的基准定位与姿态调整；
14、s2、沿回转对称非平面光学构件的径向方向选取多个采样位置，控制精密运动平台及激光精准随动模组运动，使激光焦点依次聚焦于各采样位置，记录各采样位置对应的径向坐标和高度坐标；
15、s3、根据各采样位置的坐标数据拟合回转对称非平面光学构件的表面轮廓，并根据表面轮廓、增透微结构加工周期、增透微结构构型生成与光学构件表面相匹配的双螺旋线加工轨迹及不同半径的线速度参数；
16、s4、根据所述双螺旋线加工轨迹确定精密运动平台各运动轴的运动参数，并根据各运动轴的运动参数确定飞秒激光器的出光时机和激光重复频率；
17、s5、控制系统控制精密运动平台按照所述双螺旋线加工轨迹运动，并同步控制激光精准随动模组和飞秒激光器，使激光焦点随光学构件表面高度变化保持聚焦，并在预定位置输出激光，完成回转对称非平面光学构件表面增透微结构的加工。
18、进一步的，所述回转对称非平面光学构件具有中心回转轴线，其待加工表面包括球面、非球面、锥面、椭球面、抛物面、弧面或组合曲面；所述光学构件材料包括红外玻璃、晶体及陶瓷光学材料。
19、进一步的，所述轴线重合调整方法为：通过同轴观测模块观察光学构件边缘，旋转光学构件并调整其位置，使其边缘与标定直线保持重合，初步确定旋转中心；以所述旋转中心进行圆形轨迹试加工，根据试加工圆的位置偏差进一步调整光学构件，直至其旋转中心与旋转轴轴线重合。
20、进一步的，所述光学构件的调平方法为：在非增透区域进行试加工，旋转光学构件一周并观察试加工亮点，通过俯仰机构调整光学构件姿态，直至旋转一周均出现亮点；将激光焦点沿轴向上移2μm后再次旋转，若一周均无亮点，则完成调平，调平精度控制在2μm以内。
21、进一步的，所述采样方法为：根据光学构件材料及增透需求确定预设离焦量，在待加工范围内沿径向进行等距采样，曲率变化较大区域进行加密采样，并根据采样结果确定各加工位置的高度补偿量，使激光加工过程中各位置保持相同的预设离焦量。
22、进一步的，采样个数应＞15。
23、进一步的，所述增透微结构包括槽型和孔型；槽型微结构采用预设恒定线速度进行连续激光加工，孔型微结构根据预设加工周期及激光脉冲重复频率确定加工线速度，使激光脉冲按照预设周期作用于光学构件表面。
24、进一步的，所述双螺旋线加工轨迹包括第一螺旋线和第二螺旋线，先沿第一螺旋线完成加工，再沿第二螺旋线完成加工；所述第一螺旋线与第二螺旋线加工的增透微结构构型相同或不同。
25、本发明的有益效果在于：
26、（1）通过对回转对称非平面光学构件进行旋转中心对准、姿态调平及曲面位置采样，根据采样结果对不同加工位置进行高度补偿，使加工过程中各位置保持稳定的预设离焦量，提高非平面光学构件的加工精度和一致性。
27、（2）采用双螺旋线加工轨迹依次完成两条螺旋线的加工，使空间相邻区域错时加工，增大相邻区域连续受激光作用的时间间隔，降低小周期微结构加工过程中的局部热累积及热影响，提高增透微结构的成型质量。
28、（3）根据增透微结构构型、加工周期及不同加工半径匹配精密运动平台的运动参数与飞秒激光器的出光参数，实现运动轨迹与激光输出的协同控制，满足回转对称非平面光学构件表面槽型、孔型等增透微结构的大面积制造需求。