本發(fā)明屬于光學(xué)薄膜元件后處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用激光沖擊波技術(shù)提高光學(xué)薄膜元件光學(xué)性能的后處理方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代高功率激光技術(shù)的發(fā)展，特別是大口徑系統(tǒng)的發(fā)展，對光學(xué)薄膜元件性能提出了越來越苛刻的要求，要求其具有高光性精度、高損傷閾值和高精度面形控制，將直接影響到大口徑精密光學(xué)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性。影響光學(xué)薄膜各方面性能的因素有很多，包括薄膜自身特性、薄膜制備工藝以及激光參數(shù)等。
光學(xué)薄膜元件是在光學(xué)玻璃基底上交替沉積高、低折射率材料形成的低維材料，是厚度介于單原子層至數(shù)十微米之間的固體薄層。在高激光損傷閾值薄膜研究領(lǐng)域，最常用的電子束蒸發(fā)技術(shù)存在的最大缺點(diǎn)，即沉積的薄膜堆積密度較低，只有固體材料的80％-95％，折射率也相對較低，容易吸附參與氣體和水汽，因此，光學(xué)吸收較大，穩(wěn)定性不好，對工作環(huán)境要求高。當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，薄膜極易吸濕，光學(xué)性能發(fā)生變化，典型的就是光譜漂移，進(jìn)而影響系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。現(xiàn)階段純粹依賴改進(jìn)制備工藝、優(yōu)化膜系設(shè)計(jì)、發(fā)展新型鍍膜材料等手段改進(jìn)光性精度和穩(wěn)定性的代價(jià)是高昂的，為了進(jìn)一步提高薄膜元件的性能，國內(nèi)外的研究人員提出了后處理技術(shù)。
各種后處理技術(shù)，采用不同的工藝參數(shù)、后處理方式，針對不同的膜系材料和結(jié)構(gòu)，可以獲得不同方面的薄膜性能改善。目前常用的后處理手段包括：離子后處理、熱處理和激光預(yù)處理。離子后處理，是薄膜在制備完成后，采用低能離子對其進(jìn)行轟擊以清除薄膜表面原有或粘附的結(jié)合較弱的表面顯微缺陷，提高薄膜損傷閾值。目前工藝最成熟，效果最佳的激光預(yù)處理是通過激光輻照去除多層介質(zhì)膜中低閾值的節(jié)瘤缺陷來提高薄膜的抗激光損傷能力。熱處理也就是退火，目前主要應(yīng)用在釋放薄膜殘余應(yīng)力和改善面形等方面；其通過對光學(xué)薄膜表面形貌、微結(jié)構(gòu)的影響，可以一定程度上使薄膜表面堆積密度變大，提高光學(xué)穩(wěn)定性，但是可重復(fù)性差，對不同材料、不同鍍膜參數(shù)、不同類型的薄膜元件需要的熱處理工藝參數(shù)也不同，改善程度同樣不同，故實(shí)際應(yīng)用中存在難以控制等問題。
激光沖擊波強(qiáng)化技術(shù)是納秒脈沖激光在工程中最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是金屬合金材料的表面強(qiáng)化處理領(lǐng)域。激光沖擊波技術(shù)相對于激光直接輻照樣品而言，其在樣品表面又覆蓋了一層吸收層和一層約束層。這樣當(dāng)激光輻照樣品時(shí)，覆蓋在樣品表面的吸收層吸收激光能量發(fā)生等離子爆炸，等離子體受到約束層的約束作用產(chǎn)生了高壓沖擊波即激光等離子體沖擊波，該沖擊波透過吸收層向樣品內(nèi)部傳播。在此過程中，吸收層除了用來吸收激光能量外，還可以防止樣品不會(huì)被高能激光灼傷，由于受到吸收層的保護(hù)，對被處理樣品是純機(jī)械力行為，工件僅僅受到等離子體爆炸產(chǎn)生的沖擊力。目前激光沖擊波技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，包括激光沖擊波強(qiáng)化、激光層裂法檢測涂層結(jié)合強(qiáng)度、激光沖擊植入等。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于激光沖擊波的薄膜元件光學(xué)性能后處理方法。
本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
一種基于激光沖擊波的薄膜元件光學(xué)性能后處理方法，包括如下步驟：
(1)鍍制光學(xué)薄膜元件，利用帶有原位反應(yīng)池的紅外傅立葉光譜儀實(shí)時(shí)測量薄膜元件在升溫過程中的原位紅外光譜，獲得由于升溫過程中的退吸附引起的薄膜元件透過率的變化特性T0；
(2)設(shè)定用于激光沖擊波處理的泵浦激光器的初始入射激光能量E0、最大入射激光能量Em和激光能量遞增梯度ΔE，并固定光斑尺寸、搭接率及掃描區(qū)域；要求E0和Em小于激光沖擊波作用時(shí)使薄膜元件不發(fā)生破壞的最大激光能量；并標(biāo)記S為小于等于(Em-E0)/ΔE的最大整數(shù)；令i＝1；
(3)令實(shí)際入射激光能量E＝E0+ΔE*i；
(4)在薄膜元件膜面粘貼吸收層，吸收層的厚度為80μm～160μm，同時(shí)保證吸收層的厚度波動(dòng)小于10nm，面積覆蓋整個(gè)樣品表面；之后在吸收層的表面放置約束層，形成被測樣品；
(5)將被測樣品放置在電動(dòng)平移臺(tái)上，保證同一樣品每次放置的位置都相同；
(6)通過電動(dòng)平移臺(tái)控制被測樣品進(jìn)行二維移動(dòng)，同時(shí)使在線顯微鏡始終對準(zhǔn)泵浦激光輻照被測樣品的位置，用以實(shí)時(shí)檢測后處理過程中被測樣品、吸收層和約束層的狀態(tài)；
(7)采用光柵掃描方式對樣品進(jìn)行一次激光沖擊波掃描處理，使得薄膜元件表面微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；
(8)去除被測樣品表面殘留的吸收層和約束層，并對被測樣品進(jìn)行噴淋和超聲清洗；
(9)再次利用帶有原位反應(yīng)池的紅外傅立葉光譜儀，測試被測樣品升溫過程中薄膜元件透過率的變化特性Ti；
(10)令i＝i+1；判斷i是否小于等于S，若是轉(zhuǎn)入步驟(3)；若否，進(jìn)入步驟(11)；
(11)通過被測樣品相同區(qū)域在泵浦激光器不同能量下的輻照，完成了對該測試樣品多個(gè)能量梯度的激光沖擊波后處理，獲得了經(jīng)S次激光沖擊波后處理后的薄膜元件透過率的變化特性T1～TS；
(12)改變初始入射激光能量E0、最大入射激光能量Em和激光能量遞增梯度ΔE，重復(fù)步驟(2)～(11)；以未進(jìn)行激光沖擊波后處理時(shí)升溫過程中薄膜元件透過率的變化特性T0的為基準(zhǔn)，分別獲得E0、Em和ΔE對S次激光沖擊波處理后樣品升溫過程中薄膜元件透過率的變化特性TS的影響規(guī)律；根據(jù)TS的提升情況，對初始激光能量E0、能量遞增梯度ΔE和最大激光能量Em進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)薄膜元件透過率的變化特性曲線隨溫度的改變不再發(fā)生變化，且對應(yīng)波長的透過率或反射率滿足被測樣品的要求時(shí)，停止循環(huán)，完成薄膜元件光學(xué)性能后處理。
本發(fā)明具有如下有益效果：
1、本發(fā)明所述的基于激光沖擊波的薄膜元件光學(xué)性能后處理方法實(shí)現(xiàn)了對高功率光學(xué)薄膜元件光學(xué)性能尤其是穩(wěn)定性的改善，結(jié)合實(shí)時(shí)在線調(diào)整后處理工藝參數(shù)，解決了低堆積密度薄膜的光學(xué)性能易受環(huán)境影響的難題。本發(fā)明可以根據(jù)薄膜元件光學(xué)性能穩(wěn)定性需求和評判標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)調(diào)整掃描次數(shù)和激光能量臺(tái)階等工藝參數(shù)，直至滿足加工要求為止。
2、本發(fā)明所述的基于激光沖擊波的薄膜元件光學(xué)性能后處理方法對光學(xué)薄膜元件類型、材料、薄膜沉積參數(shù)沒有限制，如減反膜、高反膜和偏振膜等均可兼容。
3、本發(fā)明不受光學(xué)元件尺寸限制，對大口徑光學(xué)薄膜元件同樣適用，這對大口徑精密光學(xué)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性提供了保證，解決了光學(xué)系統(tǒng)向高能量、高精度方向發(fā)展的“瓶頸”之一。
4、相比于傳統(tǒng)的熱處理方法存在難以完全改善光學(xué)性能穩(wěn)定性，可控性差、重復(fù)性低、工藝參數(shù)不兼容等問題，本發(fā)明所述的激光沖擊波后處理方法精度大大提高，靈活可控性大大提升。
5、本發(fā)明所述的后處理方法完成后，可以立刻在線檢測，實(shí)時(shí)獲得升溫過程中薄膜原位紅外光譜，用于檢測評估薄膜元件的水吸收和光學(xué)性能穩(wěn)定性是否達(dá)標(biāo)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
實(shí)施例1
(1)采用電子束蒸發(fā)鍍制大小為φ50×5mm的1064nm高反膜，利用帶有原位反應(yīng)池的紅外傅立葉光譜儀實(shí)時(shí)測量薄膜元件在升溫過程中的原位紅外光譜，獲得由于升溫過程中的退吸附引起的光學(xué)薄膜元件透過率的變化特性T0；
(2)設(shè)定用于激光沖擊波處理的泵浦激光器的初始入射激光能量E0、最大入射激光能量Em和激光能量遞增梯度ΔE，選用光斑尺寸為2mm、搭接率為90％、掃描區(qū)域大小為10×10mm；要求E0和Em小于激光沖擊波作用時(shí)使薄膜元件不發(fā)生破壞的最大激光能量；并標(biāo)記S為小于等于(Em-E0)/ΔE的最大整數(shù)；令i＝1；
(3)令實(shí)際入射激光能量E＝E0+ΔE*i；
(4)在薄膜元件膜面粘貼吸收層，吸收層選用市場購買的以黑漆為材料的柔性貼膜，吸收層厚度為100μm，吸收層的厚度波動(dòng)為8nm，面積覆蓋整個(gè)樣品表面；之后在吸收層的表面放置約束層，本實(shí)施例中選用去離子水為約束層，去離子水在吸收層表面上形成穩(wěn)定的厚度為2.5mm的均勻水膜，從而形成被測樣品；
(5)將被測樣品放置在電動(dòng)平移臺(tái)上，同時(shí)要保證同一樣品每次放置的位置都相同，從而使得每次后處理的區(qū)域均相同；
(6)通過電動(dòng)平移臺(tái)控制被測樣品進(jìn)行二維移動(dòng)，同時(shí)使在線顯微鏡始終對準(zhǔn)泵浦激光輻照被測樣品的位置，用以實(shí)時(shí)檢測后處理過程中被測樣品、吸收層和約束層的狀態(tài)；
(7)采用光柵掃描方式對樣品進(jìn)行一次激光沖擊波掃描處理，使得薄膜元件表面微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；
(8)去除被測樣品表面殘留的吸收層和約束層，并對被測樣品進(jìn)行噴淋和超聲清洗；
(9)再次利用帶有原位反應(yīng)池的紅外傅立葉光譜儀，測試被測樣品升溫過程中薄膜元件透過率的變化特性Ti；
(10)令i＝i+1；判斷i是否小于等于S，若是轉(zhuǎn)入步驟(3)；若否，進(jìn)入步驟(11)；
(11)通過被測樣品相同區(qū)域在泵浦激光器不同能量下的輻照，完成了對該測試樣品多個(gè)能量梯度的激光沖擊波后處理，獲得了經(jīng)S次激光沖擊波后處理后的薄膜元件透過率的變化特性T1～TS；
(12)改變初始入射激光能量E0、最大入射激光能量Em和激光能量遞增梯度ΔE，重復(fù)步驟(2)～(11)；以未進(jìn)行激光沖擊波后處理時(shí)升溫過程中薄膜元件透過率的變化特性T0的為基準(zhǔn)，分別獲得E0、Em和ΔE對S次激光沖擊波處理后樣品升溫過程中薄膜元件透過率的變化特性TS的影響規(guī)律；根據(jù)TS的提升情況，對初始激光能量E0、能量遞增梯度ΔE和最大激光能量Em進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)薄膜元件透過率的變化特性曲線隨溫度的改變不再發(fā)生變化，且對應(yīng)波長的透過率或反射率滿足被測樣品的要求時(shí)，停止循環(huán)，完成薄膜元件光學(xué)性能后處理。
實(shí)施例2
(1)采用電子束蒸發(fā)鍍制大小為φ30×3mm的532nm減反膜，利用帶有原位反應(yīng)池的紅外傅立葉光譜儀實(shí)時(shí)測量薄膜元件在升溫過程中的原位紅外光譜，獲得由于升溫過程中的退吸附引起的光學(xué)薄膜元件透過率的變化特性T0；
(2)設(shè)定用于激光沖擊波處理的泵浦激光器的初始入射激光能量E0、最大入射激光能量Em和激光能量遞增梯度ΔE，選用光斑尺寸為1mm、搭接率為90％、掃描區(qū)域大小為10×10mm；要求E0和Em小于激光沖擊波作用時(shí)使薄膜元件不發(fā)生破壞的最大激光能量；并標(biāo)記S為小于等于(Em-E0)/ΔE的最大整數(shù)；令i＝1；
(3)令實(shí)際入射激光能量E＝E0+ΔE*i；
(4)在薄膜元件膜面粘貼吸收層，吸收層選用市場購買的以黑漆為材料的柔性貼膜，吸收層厚度為150μm，吸收層的厚度波動(dòng)為8nm，面積覆蓋整個(gè)樣品表面；之后在吸收層的表面放置約束層，本實(shí)施例中選用去離子水為約束層，去離子水在吸收層表面上形成穩(wěn)定的厚度為3mm的均勻水膜，從而形成被測樣品；
(5)將被測樣品放置在電動(dòng)平移臺(tái)上，同時(shí)要保證同一樣品每次放置的位置都相同，從而使得每次后處理的區(qū)域均相同；
(6)通過電動(dòng)平移臺(tái)控制被測樣品進(jìn)行二維移動(dòng)，同時(shí)使在線顯微鏡始終對準(zhǔn)泵浦激光輻照被測樣品的位置，用以實(shí)時(shí)檢測后處理過程中被測樣品、吸收層和約束層的狀態(tài)；
(7)采用光柵掃描方式對樣品進(jìn)行一次激光沖擊波掃描處理，使得薄膜元件表面微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；
(8)去除被測樣品表面殘留的吸收層和約束層，并對被測樣品進(jìn)行噴淋和超聲清洗；
(9)再次利用帶有原位反應(yīng)池的紅外傅立葉光譜儀，測試被測樣品升溫過程中薄膜元件透過率的變化特性Ti；
(10)令i＝i+1；判斷i是否小于等于S，若是轉(zhuǎn)入步驟(3)；若否，進(jìn)入步驟(11)；
(11)通過被測樣品相同區(qū)域在泵浦激光器不同能量下的輻照，完成了對該測試樣品多個(gè)能量梯度的激光沖擊波后處理，獲得了經(jīng)S次激光沖擊波后處理后的薄膜元件透過率的變化特性T1～TS；
(12)改變初始入射激光能量E0、最大入射激光能量Em和激光能量遞增梯度ΔE，重復(fù)步驟(2)～(11)；以未進(jìn)行激光沖擊波后處理時(shí)升溫過程中薄膜元件透過率的變化特性T0的為基準(zhǔn)，分別獲得E0、Em和ΔE對S次激光沖擊波處理后樣品升溫過程中薄膜元件透過率的變化特性TS的影響規(guī)律；根據(jù)TS的提升情況，對初始激光能量E0、能量遞增梯度ΔE和最大激光能量Em進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)薄膜元件透過率的變化特性曲線隨溫度的改變不再發(fā)生變化，且對應(yīng)波長的透過率或反射率滿足被測樣品的要求時(shí)，停止循環(huán)，完成薄膜元件光學(xué)性能后處理。