一種基于多次迭代刻蝕的透射光學(xué)元件損傷閾值提升方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于多次迭代刻蝕技術(shù)的透射型光學(xué)元件損傷閾值提升方法，該方法包括以下步驟：采用高濃度氫氟酸溶液對光學(xué)元件進(jìn)行快速刻蝕，刻蝕深度為d1；利用環(huán)形拋光機(jī)對光學(xué)元件進(jìn)行快速拋光，拋光去除深度為d2；光學(xué)元件在300度高溫下烘烤，然后利用離子源對光學(xué)元件表面進(jìn)行轟擊刻蝕，刻蝕深度為d3；再次低速拋光處理，拋光去除深度為d4；再次利用離子源對光學(xué)元件表面進(jìn)行轟擊刻蝕，刻蝕深度為d5。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有針對性強(qiáng)、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，通過多次迭代刻蝕，特別是采用逐次遞減的去除深度和去除速率，能夠大幅提升透射型光學(xué)元件的損傷閾值。
【專利說明】一種基于多次迭代刻蝕的透射光學(xué)元件損傷閾值提升方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及透射型光學(xué)元件領(lǐng)域，尤其是涉及一種利用多次刻蝕技術(shù)提升透射型光學(xué)元件損傷閾值的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]透射型光學(xué)元件是高功率激光系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，而透射型光學(xué)元件的激光損傷閾值是限制強(qiáng)激光技術(shù)向高功率、高能量方向發(fā)展的重要瓶頸之一。相比反射型光學(xué)元件，透射型光學(xué)元件在強(qiáng)激光輻照下更容易發(fā)生損傷。其主要原因?yàn)楣鈱W(xué)元件在切割、研磨和拋光等光學(xué)冷加工過程中不可避免的引入各種類型的缺陷，如納米尺度的吸收性缺陷，微米尺度的劃痕、裂紋和麻點(diǎn)等。當(dāng)激光作用在這些表面和亞表面缺陷時，由于吸收性缺陷對激光的強(qiáng)烈吸收將引起局部區(qū)域的快速溫升、以及結(jié)構(gòu)性缺陷對激光光場的調(diào)制放大都將造成材料的熱力破壞，形成顯著的損傷結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致光學(xué)元件失效而無法繼續(xù)使用。因此，只有不斷減少和控制缺陷，才能有效提升透射型光學(xué)元件的損傷閾值。
[0003]當(dāng)前，廣泛采用氫氟酸刻蝕、離子束刻蝕或磁流變刻蝕來去除光學(xué)元件在前期加工中引入的缺陷結(jié)構(gòu)，并在一定程度上提升了光學(xué)元件的損傷閾值。隨著激光功率的不斷提升，對更高損傷閾值透射型光學(xué)元件的需求也逐漸迫切。然而，上述任何一種刻蝕技術(shù)或后處理工藝，都會在去除其它技術(shù)或工藝產(chǎn)生缺陷的同時而引入新的缺陷，比如，氫氟酸刻蝕將引入化學(xué)雜質(zhì)和化學(xué)生成物等，離子束刻蝕將產(chǎn)生帶電雜質(zhì)和噴濺污染等。因此，為獲得更高損傷閾值的透射型光學(xué)元件，需要發(fā)展和完善刻蝕技術(shù)，盡可能的減小缺陷層厚度和缺陷尺寸、減少污染物的引入。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的污染物和雜質(zhì)引入難題，提供一種基于多次迭代刻蝕技術(shù)的透射型光學(xué)元件損傷閾值提升方法。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0006]一種基于多次迭代刻蝕技術(shù)的透射型光學(xué)元件損傷閾值提升方法，該方法包括以下步驟:
[0007]①首先，在超聲波環(huán)境下采用氫氟酸溶液對光學(xué)元件進(jìn)行刻蝕，刻蝕深度為Cl1,
[0008]然后利用去離子水進(jìn)行漂洗、噴淋；
[0009]②利用環(huán)形拋光機(jī)對光學(xué)元件進(jìn)行拋光處理，拋光去除深度為d2 ；
[0010]③將光學(xué)元件放入電子束蒸發(fā)式鍍膜機(jī)，在300度高溫下烘烤60分鐘，利用離子源對光學(xué)元件表面進(jìn)行轟擊刻蝕，刻蝕深度為d3 ；
[0011]④再次利用環(huán)形拋光機(jī)對光學(xué)元件進(jìn)行拋光處理，拋光去除深度為d4 ；
[0012]⑤對光學(xué)元件進(jìn)行清洗，之后將光學(xué)元件放入電子束蒸發(fā)式鍍膜機(jī)，再次利用離子源對光學(xué)元件表面進(jìn)行轟擊刻蝕，刻蝕深度為d5。
[0013]所述的步驟①具體為:[0014]11)超聲波環(huán)境為 40kHz、80kHz、120kHz、140kHz、170kHz、220kHz 和 270kHz 七頻循環(huán)振動；
[0015]12)氫氟酸溶液的濃度為40%，溶液溫度為60度，刻蝕時間為5_30分鐘，刻蝕深度Cl1為50-300微米；
[0016]13)漂洗溶液為去離子水，漂洗時間30分鐘；
[0017]14)噴淋溶液為去離子水，噴淋時間為10分鐘。
[0018]所述的步驟②具體為:
[0019]21)拋光顆粒為500目尺寸的氧化鈰或氧化鋯顆粒；
[0020]22)拋光過程中利用輔助板壓在光學(xué)元件上方，增大自重壓力，增加拋光速率；
[0021]23)拋光去除速率為I微米/小時，拋光去除深度d2為5-10微米。
[0022]所述的步驟③具體為:
[0023]31)將光學(xué)元件放入電子束蒸發(fā)式鍍膜機(jī)；
[0024]32)控制鍍膜機(jī)真空室的本底真空度為I X 10_3Pa_6X 10_3Pa ；
[0025]33)在300度高溫下烘烤光學(xué)元件60分鐘；
[0026]34)利用離子源對光學(xué)元件進(jìn)行轟擊刻蝕，時間為30-120分鐘，控制氧氣流量為30-50sccm，氬氣流量為 5_40sccm，電壓為 200V-1200V，電流為 200mA_l IOOmA ；
[0027]35)離子束刻蝕深度d3為0.5-3微米。
[0028]所述的步驟④具體為:
[0029]41)拋光顆粒為500目尺寸的氧化鈰或氧化鋯顆粒；
[0030]42)拋光去除速率為0.1微米/小時，拋光去除深度d4為0.5-1微米。
[0031]所述的步驟⑤具體為:
[0032]51)利用去離子水對光學(xué)元件表面進(jìn)行清洗，采用高純氮?dú)獯蹈珊蠓湃脲兡C(jī)；
[0033]52)控制鍍膜機(jī)真空室的本底真空度為I X 10_3Pa_6X 10_3Pa ；
[0034]53)利用離子源對光學(xué)元件進(jìn)行轟擊刻蝕，時間為5-30分鐘，控制氧氣流量為30-50sccm，氬氣流量為 5_40sccm，電壓為 200V-1200V，電流為 200mA_l IOOmA ；
[0035]54)離子束刻蝕深度d5為0.1-0.5微米；
[0036]55)將多次迭代刻蝕的光學(xué)元件取出，或由鍍膜機(jī)完成減反射薄膜的鍍制，由此獲得未鍍膜或鍍膜的透射型光學(xué)元件。
[0037]所述的光學(xué)元件為平面的熔融石英或K9玻璃材料；所述的①②④步驟在千級潔凈環(huán)境中完成。
[0038]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果如下:
[0039]1.通過高濃度氫氟酸的快速刻蝕，將光學(xué)元件深度在50-300微米范圍內(nèi)的亞表面缺陷全部去除，包括納米尺寸吸收中心、微裂紋、微劃痕和其它微小尺度缺陷；
[0040]2.氫氟酸刻蝕引入的化學(xué)殘留、雜質(zhì)，以及面形惡化、原有缺陷尺寸擴(kuò)展等問題，通過隨后的拋光步驟去除，并且環(huán)形拋光能夠有效保證光學(xué)元件的面形精度；
[0041]3.拋光引入的吸收性雜質(zhì)和微缺陷，經(jīng)過高溫烘烤將更容易暴露出來，可以利用離子束刻蝕有效去除；
[0042]4.離子束刻蝕引入的帶電雜質(zhì)和噴濺污染，利用第二次低速拋光去除；
[0043]5.第二次低速拋光引入的吸收性雜質(zhì)和微缺陷，最后在離子束刻蝕較淺深度后得到去除。
[0044]通過多次迭代刻蝕，特別是采用逐次遞減的去除深度和去除速率，當(dāng)前步驟將有效去除上一步驟產(chǎn)生的缺陷和污染物，而當(dāng)前步驟引入的新缺陷和污染物逐漸減小，直至殘留缺陷對透射型光學(xué)元件損傷閾值的影響較小，從而達(dá)到顯著提升損傷閾值的目的。
[0045]本發(fā)明針對影響透射型光學(xué)元件損傷閾值提升的亞表面缺陷的有效去除問題，通過多次迭代刻蝕逐步減少缺陷層，最終實(shí)現(xiàn)損傷閾值的明顯提升。該方法針對性強(qiáng)，能夠大幅提升透射型光學(xué)元件的損傷閾值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]圖1為本發(fā)明的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0048]實(shí)施例
[0049]如圖1所示，一種基于多次迭代刻蝕的透射光學(xué)元件損傷閾值提升方法，該方法包括以下步驟:
[0050]①首先，在超聲波環(huán)境下采用氫氟酸溶液對光學(xué)元件進(jìn)行刻蝕，刻蝕深度為Cl1，然后利用去離子水進(jìn)行漂洗、噴淋；
[0051 ] 11)超聲波環(huán)境為 40kHz、80kHz、120kHz、140kHz、170kHz、220kHz 和 270kHz 七頻循環(huán)振動；
[0052]12)氫氟酸溶液的濃度為40%，溶液溫度為60度，刻蝕時間為5_30分鐘，刻蝕深度Cl1為50-300微米；
[0053]13)漂洗溶液為去離子水，漂洗時間30分鐘；
[0054]14)噴淋溶液為去離子水，噴淋時間為10分鐘。
[0055]②利用環(huán)形拋光機(jī)對光學(xué)元件進(jìn)行拋光處理，拋光去除深度為d2 ；
[0056]21)拋光顆粒為500目尺寸的氧化鈰或氧化鋯顆粒；
[0057]22)拋光過程中利用輔助板壓在光學(xué)元件上方，增大自重壓力，增加拋光速率；
[0058]23)拋光去除速率為I微米/小時，拋光去除深度d2為5-10微米。
[0059]③將光學(xué)元件放入電子束蒸發(fā)式鍍膜機(jī)，在300度高溫下烘烤60分鐘，利用離子源對光學(xué)元件表面進(jìn)行轟擊刻蝕，刻蝕深度為d3 ；
[0060]31)將光學(xué)兀件放入電子束蒸發(fā)式鍍膜機(jī)；
[0061]32)控制鍍膜機(jī)真空室的本底真空度為I X 10_3Pa_6X 10_3Pa ；
[0062]33)在300度高溫下烘烤光學(xué)元件60分鐘；
[0063]34)利用離子源對光學(xué)元件進(jìn)行轟擊刻蝕，時間為30-120分鐘，控制氧氣流量為30-50sccm，氬氣流量為 5_40sccm，電壓為 200V-1200V，電流為 200mA_l IOOmA ；
[0064]35)離子束刻蝕深度d3為0.5-3微米。
[0065]④再次利用環(huán)形拋光機(jī)對光學(xué)元件進(jìn)行拋光處理，拋光去除深度為d4 ；
[0066]41)拋光顆粒為500目尺寸的氧化鈰或氧化鋯顆粒；
[0067]42)拋光去除速率為0.1微米/小時，拋光去除深度d4為0.5-1微米。[0068]⑤對光學(xué)元件進(jìn)行清洗，之后將光學(xué)元件放入電子束蒸發(fā)式鍍膜機(jī)，再次利用離子源對光學(xué)元件表面進(jìn)行轟擊刻蝕，刻蝕深度為d5。
[0069]51)利用去離子水對光學(xué)元件表面進(jìn)行清洗，采用高純氮?dú)獯蹈珊蠓湃脲兡C(jī)；
[0070]52)控制鍍膜機(jī)真空室的本底真空度為I X 10_3Pa_6X 10_3Pa ；
[0071]53)利用離子源對光學(xué)元件進(jìn)行轟擊刻蝕，時間為5-30分鐘，控制氧氣流量為30-50sccm，氬氣流量為 5_40sccm，電壓為 200V-1200V，電流為 200mA_l IOOmA ；
[0072]54)離子束刻蝕深度d5為0.1-0.5微米；
[0073]55)將多次迭代刻蝕的光學(xué)元件取出，或由鍍膜機(jī)完成減反射薄膜的鍍制，由此獲得未鍍膜或鍍膜的透射型光學(xué)元件。
[0074]所述的光學(xué)元件為平面的熔融石英或K9玻璃材料；所述的①②④步驟在千級潔凈環(huán)境中完成。
[0075]上述的對實(shí)施例的描述是為便于該【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于多次迭代刻蝕技術(shù)的透射型光學(xué)元件損傷閾值提升方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)首先，在超聲波環(huán)境下采用氫氟酸溶液對光學(xué)元件進(jìn)行刻蝕，刻蝕深度為Cl1，然后利用去離子水進(jìn)行漂洗、噴淋； 2)利用環(huán)形拋光機(jī)對光學(xué)元件進(jìn)行拋光處理，拋光去除深度為d2； 3)將光學(xué)元件放入電子束蒸發(fā)式鍍膜機(jī)，在300度高溫下烘烤60分鐘，利用離子源對光學(xué)元件表面進(jìn)行轟擊刻蝕，刻蝕深度為d3 ； 4)再次利用環(huán)形拋光機(jī)對光學(xué)元件進(jìn)行拋光處理，拋光去除深度為d4； 5)對光學(xué)元件進(jìn)行清洗，之后將光學(xué)元件放入電子束蒸發(fā)式鍍膜機(jī)，再次利用離子源對光學(xué)元件表面進(jìn)行轟擊刻蝕，刻蝕深度為d5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多次迭代刻蝕技術(shù)的透射型光學(xué)元件損傷閾值提升方法，其特征在于，所述的步驟①具體為:1)超聲波環(huán)境為40kHz、80kHz、120kHz、140kHz、170kHz、220kHz 和 270kHz 七頻循環(huán)振動； 2)氫氟酸溶液的濃度為40%，溶液溫度為60度，刻蝕時間為5-30分鐘，刻蝕深度Cl1為50-300 微米； 3)漂洗溶液為去離子水,漂洗時間30分鐘； 4)噴淋溶液為去離子水，噴淋時間為10分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多次迭代刻蝕技術(shù)的透射型光學(xué)元件損傷閾值提升方法，其特征在于，所述的步驟②具體為: 1)拋光顆粒為500目尺寸的氧化鈰或氧化鋯顆粒； 2)拋光過程中利用輔助板壓在光學(xué)元件上方，增大自重壓力，增加拋光速率； 3)拋光去除速率為I微米/小時，拋光去除深度d2為5-10微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多次迭代刻蝕技術(shù)的透射型光學(xué)元件損傷閾值提升方法，其特征在于，所述的步驟③具體為: 1)將光學(xué)元件放入電子束蒸發(fā)式鍍膜機(jī)； 2)控制鍍膜機(jī)真空室的本底真空度為lX10-3Pa-6X10_3Pa; 3)在300度高溫下烘烤光學(xué)元件60分鐘； 4)利用離子源對光學(xué)元件進(jìn)行轟擊刻蝕，時間為30-120分鐘，控制氧氣流量為30-50sccm，氬氣流量為 5_40sccm，電壓為 200V-1200V，電流為 200mA_l IOOmA ； 5)離子束刻蝕深度d3為0.5-3微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多次迭代刻蝕技術(shù)的透射型光學(xué)元件損傷閾值提升方法，其特征在于，所述的步驟④具體為: 1)拋光顆粒為500目尺寸的氧化鈰或氧化鋯顆粒； 2)拋光去除速率為0.1微米/小時，拋光去除深度d4為0.5-1微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多次迭代刻蝕技術(shù)的透射型光學(xué)元件損傷閾值提升方法，其特征在于，所述的步驟⑤具體為: 1)利用去離子水對光學(xué)元件表面進(jìn)行清洗，采用高純氮?dú)獯蹈珊蠓湃脲兡C(jī)； 2)控制鍍膜機(jī)真空室的本底真空度為lX10-3Pa-6X10_3Pa;3)利用離子源對光學(xué)元件進(jìn)行轟擊刻蝕，時間為5-30分鐘，控制氧氣流量為30-50sccm，氬氣流量為 5_40sccm，電壓為 200V-1200V，電流為 200mA_l IOOmA ； 4)離子束刻蝕深度d5為0.1-0.5微米； 5)將多次迭代刻蝕的光學(xué)元件取出，或由鍍膜機(jī)完成減反射薄膜的鍍制，由此獲得未鍍膜或鍍膜的透射型光學(xué)元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多次迭代刻蝕技術(shù)的透射型光學(xué)元件損傷閾值提升方法，其特征在于，所述的光學(xué)元件為平面的熔融石英或K9玻璃。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多次迭代刻蝕技術(shù)的透射型光學(xué)元件損傷閾值提升方法，其特征在于，所述 的步驟①②④在千級潔凈環(huán)境中完成。
【文檔編號】G02B1/11GK103885099SQ201410050337
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年2月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月13日
【發(fā)明者】馬彬, 陸夢蕾, 焦宏飛, 程鑫彬, 馬宏平, 王占山 申請人:同濟(jì)大學(xué)