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)薄膜元件力學(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、高力學(xué)性能、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)的功能實現(xiàn)和系統(tǒng)長時間運行的穩(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)薄膜元件由于其特殊的高、低折射率材料交替沉積在光學(xué)玻璃基底上的多層結(jié)構(gòu),特別是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)鍍制的光學(xué)薄膜元件,相比體材料,存在基底與膜層之間的附著力、膜層與膜層之間結(jié)合力較弱的問題。而如果薄膜元件由缺陷誘導(dǎo)產(chǎn)生的激光損傷伴隨著膜層剝落,在后續(xù)激光脈沖輻照下,損傷會迅速生長,發(fā)生災(zāi)難性破壞,嚴(yán)重影響系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。同時,由于薄膜元件材料間的應(yīng)變不匹配造成的殘余應(yīng)力和面形精度的影響,同樣對元件的性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性有著巨大的影響,因此必須對薄膜殘余應(yīng)力進行嚴(yán)格的控制?,F(xiàn)階段純粹依賴改進制備工藝、優(yōu)化膜系設(shè)計、發(fā)展新型鍍膜材料等手段改進薄膜上述力學(xué)性能的代價是高昂的,為了進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,目前雖然主要應(yīng)用在釋放薄膜殘余應(yīng)力和改善面形等方面,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)不同,改善程度同樣不同,故實際應(yīng)用中存在難以控制等問題。
技術(shù)實現(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提高光學(xué)元件力學(xué)性能的后處理方法。
本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種基于激光沖擊波的薄膜元件力學(xué)性能后處理方法,包括如下步驟:
(1)采用電子束蒸發(fā)鍍制一批光學(xué)薄膜元件;任意選取一個光學(xué)薄膜元件作為被測樣品,測量被測樣品的殘余應(yīng)力R0、膜層與基底的臨界附著力A0、膜層臨界界面結(jié)合力B0和硬度H0;
(2)在被測樣品上選擇200個測試點,每20個測試點作為一個測試組;并選取10個不同的激光能量,作為10個測試組分別對應(yīng)的激光能量,每個測試組內(nèi)的所有測試點對應(yīng)的激光能量相同;設(shè)定每個測試點的輻照脈沖數(shù)目均為N1,采用泵浦激光以選定的激光能量依次輻照被測樣品上的測試點,并通過在線監(jiān)控系統(tǒng)對準(zhǔn)泵浦激光輻照被測樣品的位置來檢測損傷的發(fā)生和生長,獲得被測樣品在不同能量下的初始損傷幾率和該脈沖數(shù)目下的損傷生長幾率;并通過線性擬合的方式獲得被測樣品在輻照脈沖數(shù)目N1下的初始損傷閾值F01以及損傷生長閾值G01;
(3)重新選取一個被測樣品,將測試點的輻照脈沖數(shù)目改為Nk,Nk≠N1,按照步驟(2)的方法,獲得被測樣品在輻照脈沖數(shù)目Nk下的初始損傷閾值F0k和損傷生長閾值G0k;
(4)重復(fù)執(zhí)行步驟(3),獲得m個不同脈沖輻照數(shù)目下的初始損傷閾值F0和損傷生長閾值G0;其中,F(xiàn)0={F01,F(xiàn)02,F(xiàn)03......F0mm},G0=(G01,G02,G03......G0m},要求脈沖輻照數(shù)目m不小于激光重復(fù)頻率的200倍;
(5)在步驟(1)中制作的一批光學(xué)薄膜元件中重新選取一組薄膜元件,在該組薄膜元件膜面粘貼吸收層;在吸收層的表面放置約束層,形成用于激光沖擊波后處理的實驗樣品;
(6)將實驗樣品放置在電動平移臺上,同時保證同一樣品每次放置的位置都相同;使在線顯微鏡始終對準(zhǔn)泵浦激光輻照實驗樣品的位置,用以實時檢測后處理過程中實驗樣品、吸收層和約束層的狀態(tài);
(7)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;
(8)令實際入射激光能量E=E0+ΔE*i;
(9)采用光柵掃描方式對樣品進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;
(10)去除薄膜樣品表面殘留的吸收層和約束層,并對薄膜樣品進行噴淋和超聲清洗,獲得經(jīng)過激光沖擊波后處理的一組實驗樣品;
(11)利用該組實驗樣品分別測量經(jīng)沖擊波后處理后的殘余應(yīng)力Ri、膜層與基底的臨界附著力Ai、膜層臨界界面結(jié)合力Bi和硬度Hi,并重復(fù)執(zhí)行步驟(2)~(4),獲得激光沖擊波后處理后m個不同脈沖輻照數(shù)目下的初始損傷閾值F0i和損傷生長閾值G0i;
(12)令i=i+1;判斷i是否小于等于S,若是,轉(zhuǎn)入步驟(5),若否,進入步驟(13);
(13)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,完成了對該實驗樣品多個能量梯度的激光沖擊波后處理,并獲得了S次激光沖擊波后處理后薄膜元件力學(xué)性能變化特性,包括殘余應(yīng)力R1~RS、臨界附著力A1~AS、臨界界面結(jié)合力B1~BS、硬度H1~HS和m個不同脈沖輻照數(shù)目下的初始損傷閾值F01~F0S和損傷生長閾值G01~G0S;
(14)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(5)~(13);以未進行激光沖擊波后處理時薄膜元件的力學(xué)特性R0、A0、B0、H0和抗激光損傷能力F0、G0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力學(xué)性能RS、AS、BS、HS和抗激光損傷能力FS、GS的影響規(guī)律;根據(jù)力學(xué)性能和抗激光損傷能力的提升情況,對初始激光能量E0、能量遞增梯度ΔE和最大激光能量Em進行優(yōu)化,當(dāng)薄膜元件力學(xué)性能和抗激光損傷能力不再提升,且滿足實驗樣品的要求時,停止循環(huán),完成薄膜元件力學(xué)性能后處理。
本發(fā)明具有如下有益效果:
1、本發(fā)明所述的后處理方法實現(xiàn)了對高功率光學(xué)薄膜元件力學(xué)性能的改善,結(jié)合實時在線調(diào)整后處理工藝參數(shù),解決了光學(xué)薄膜元件附著力、膜層結(jié)合力、殘余應(yīng)力等力學(xué)性能目前缺乏有效手段控制的難題。本發(fā)明可以根據(jù)薄膜元件力學(xué)性能需求和評判標(biāo)準(zhǔn),判斷掃描次數(shù)和激光能量臺階等工藝參數(shù),直至滿足系統(tǒng)要求為止。
2、本發(fā)明所述的后處理方法對光學(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)明所述的后處理方法不受光學(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)的功能實現(xiàn)和系統(tǒng)長時間運行的穩(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)的熱處理方法存在只能改善光學(xué)薄膜元件力學(xué)性能中的殘余應(yīng)力問題,且存在可控性差、重復(fù)性低、不適用于大口徑光學(xué)元件等問題,本發(fā)明所述的后處理方法精度大大提高,可控性和適用范圍大大提升。
5、本發(fā)明所述的后處理方法完成后,可以立刻在線檢測,實時獲得薄膜元件附著力、界面結(jié)合力、硬度、殘余應(yīng)力等力學(xué)信息,用于檢測評估薄膜元件的力學(xué)性能是否達標(biāo)。
6、本發(fā)明所述的后處理方法實現(xiàn)簡單、可靠,適用性廣泛。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
實施例1:
一種基于激光沖擊波的薄膜元件力學(xué)性能后處理方法,包括如下步驟:
(1)采用電子束蒸發(fā)鍍制大小為φ50×5mm的1064nm高反膜,利用波面干涉儀獲得樣品殘余應(yīng)力R0,并利用納米劃痕儀測量樣品膜層與基底的臨界附著力A0,膜層臨界界面結(jié)合力B0和硬度H0;
(2)任意選取10個激光能量臺階Fj(j=1,2,...,10),每個激光能量臺階對應(yīng)20個測試點,設(shè)定每個測試點的輻照脈沖數(shù)目N1,通過在線監(jiān)控系統(tǒng)對準(zhǔn)泵浦激光輻照被測樣品的位置來檢測損傷的發(fā)生和生長,從而獲得損傷點數(shù)目與所有測試點數(shù)目的百分比,以及獲得損傷生長點數(shù)目與所有測試點數(shù)目的百分比,即獲得被測樣品在不同能量下的初始損傷幾率和該脈沖數(shù)目下的損傷生長幾率;并通過線性擬合的方式獲得被測樣品在輻照脈沖數(shù)目N1下的初始損傷閾值F01以及損傷生長閾值G01;
(3)在步驟(1)中制作的一批光學(xué)薄膜元件中重新選取一個被測樣品,將測試點的輻照脈沖數(shù)目改為Nk(Nk≠N1),按照步驟(2)的方法,獲得被測樣品在輻照脈沖數(shù)目Nk下的初始損傷閾值F0k和損傷生長閾值G0k;
(4)重復(fù)執(zhí)行步驟(3),獲得m個不同脈沖輻照數(shù)目下的初始損傷閾值F0(F0={F01,F(xiàn)02,F(xiàn)03......F0m}和損傷生長閾值G0(G0={G01,G02,G03......G0m};要求脈沖輻照數(shù)目m不小于激光重復(fù)頻率的200倍,例如重復(fù)頻率為5Hz的話,測試的最大脈沖數(shù)目要不小于1000;
(5)在步驟(1)中制作的一批光學(xué)薄膜元件中重新選取一組薄膜元件,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,吸收層的厚度為120μm,吸收層厚度波動為8nm,面積覆蓋整個樣品表面;之后在吸收層的表面放置約束層,本實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,形成激光沖擊波后處理的實驗樣品;
(6)將被測樣品放置在電動平移臺上,同時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,在線顯微鏡始終對準(zhǔn)泵浦激光輻照被測樣品的位置,用以實時檢測后處理過程中被測樣品、吸收層和約束層的狀態(tài);
(7)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;
(8)令實際入射激光能量E=E0+ΔE*i;
(9)采用光柵掃描方式對樣品進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;
(10)去除薄膜樣品表面殘留的吸收層和約束層,并對薄膜樣品進行噴淋和超聲清洗;
(11)經(jīng)過激光沖擊波后處理的薄膜樣品,再次利用波面干涉儀獲得樣品殘余應(yīng)力Ri,利用納米劃痕儀測量樣品膜層與基底的臨界附著力Ai,膜層臨界界面結(jié)合力Bi和硬度Hi,獲得激光沖擊波后處理后m個不同脈沖輻照數(shù)目下的初始損傷閾值F0i和損傷生長閾值G0i;
(12)令i=i+1;判斷i是否小于等于S,若是,轉(zhuǎn)入步驟(5),若否,進入步驟(13);
(13)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,完成了對該實驗樣品多個能量梯度的激光沖擊波后處理,并獲得了S次激光沖擊波后處理后薄膜元件力學(xué)性能變化特性,包括殘余應(yīng)力R1~RS、臨界附著力A1~AS、臨界界面結(jié)合力B1~BS、硬度H1~HS和m個不同脈沖輻照數(shù)目下的初始損傷閾值F01~F0S和損傷生長閾值G01~G0S;
(14)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(5)~(13);以未進行激光沖擊波后處理時薄膜元件的力學(xué)特性R0、A0、B0、H0和抗激光損傷能力F0、G0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力學(xué)性能RS、AS、BS、HS和抗激光損傷能力FS、GS的影響規(guī)律;
根據(jù)力學(xué)性能和抗激光損傷能力的提升情況,對初始激光能量E0、能量遞增梯度ΔE和最大激光能量Em進行優(yōu)化,當(dāng)薄膜元件力學(xué)性能和抗激光損傷能力不再提升,且滿足實驗樣品的要求時,停止循環(huán),完成薄膜元件力學(xué)性能后處理;此時認(rèn)為達到最佳激光沖擊波后處理效果,對應(yīng)的即為最優(yōu)激光沖擊波后處理工藝參數(shù);所述最優(yōu)激光沖擊波后處理工藝,包括初始激光能量、能量遞增梯度、最大激光能量和光斑搭接率等。
實施例2
一種基于激光沖擊波的薄膜元件力學(xué)性能后處理方法,包括如下步驟:
(1)采用電子束蒸發(fā)鍍制大小為φ30×3mm的532nm減反膜,利用波面干涉儀獲得樣品殘余應(yīng)力R0,并利用納米劃痕儀測量樣品膜層與基底的臨界附著力A0,膜層臨界界面結(jié)合力B0和硬度H0;(2)任意選取10個激光能量臺階Fj(j=1,2,...,10),每個激光能量臺階對應(yīng)20個測試點,設(shè)定每個測試點的輻照脈沖數(shù)目N1,通過在線監(jiān)控系統(tǒng)對準(zhǔn)泵浦激光輻照被測樣品的位置來檢測損傷的發(fā)生和生長,從而獲得損傷點數(shù)目與所有測試點數(shù)目的百分比,以及獲得損傷生長點數(shù)目與所有測試點數(shù)目的百分比,即獲得被測樣品在不同能量下的初始損傷幾率和該脈沖數(shù)目下的損傷生長幾率;并通過線性擬合的方式獲得被測樣品在輻照脈沖數(shù)目N1下的初始損傷閾值F01以及損傷生長閾值G01;
(3)在步驟(1)中制作的一批光學(xué)薄膜元件中重新選取一個被測樣品,將測試點的輻照脈沖數(shù)目改為Nk(Nk≠N1),按照步驟(2)的方法,獲得被測樣品在輻照脈沖數(shù)目Nk下的初始損傷閾值F0k和損傷生長閾值G0k;
(4)重復(fù)執(zhí)行步驟(3),獲得m個不同脈沖輻照數(shù)目下的初始損傷閾值F0(F0={F01,F(xiàn)02,F(xiàn)03......F0mm}和損傷生長閾值G0(G0={G01,G02,G03......G0m};要求脈沖輻照數(shù)目m不小于激光重復(fù)頻率的200倍,例如重復(fù)頻率為5Hz的話,測試的最大脈沖數(shù)目要不小于1000;
(5)在步驟(1)中制作的一批光學(xué)薄膜元件中重新選取一組薄膜元件,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,吸收層的厚度為150μm,吸收層厚度波動為8nm,面積覆蓋整個樣品表面;之后在吸收層的表面放置約束層,本實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,形成激光沖擊波后處理的實驗樣品;
(6)將被測樣品放置在電動平移臺上,同時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,在線顯微鏡始終對準(zhǔn)泵浦激光輻照被測樣品的位置,用以實時檢測后處理過程中被測樣品、吸收層和約束層的狀態(tài);
(7)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;
(8)令實際入射激光能量E=E0+ΔE*i;
(9)采用光柵掃描方式對樣品進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;
(10)去除薄膜樣品表面殘留的吸收層和約束層,并對薄膜樣品進行噴淋和超聲清洗;
(11)經(jīng)過激光沖擊波后處理的薄膜樣品,再次利用波面干涉儀獲得樣品殘余應(yīng)力Ri,利用納米劃痕儀測量樣品膜層與基底的臨界附著力Ai,膜層臨界界面結(jié)合力Bi和硬度Hi,并重復(fù)步驟(2)~(4),獲得激光沖擊波后處理后m個不同脈沖輻照數(shù)目下的初始損傷閾值F0i和損傷生長閾值G0i;
(12)令i=i+1;判斷i是否小于等于S,若是,轉(zhuǎn)入步驟(5),若否,進入步驟(13);
(13)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,完成了對該實驗樣品多個能量梯度的激光沖擊波后處理,并獲得了S次激光沖擊波后處理后薄膜元件力學(xué)性能變化特性,包括殘余應(yīng)力R1~RS、臨界附著力A1~AS、臨界界面結(jié)合力B1~BS、硬度H1~HS和m個不同脈沖輻照數(shù)目下的初始損傷閾值F01~F0S和損傷生長閾值G01~G0S;
(14)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(5)~(13);以未進行激光沖擊波后處理時薄膜元件的力學(xué)特性R0、A0、B0、H0和抗激光損傷能力F0、G0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力學(xué)性能RS、AS、BS、HS和抗激光損傷能力FS、GS的影響規(guī)律;
根據(jù)力學(xué)性能和抗激光損傷能力的提升情況,對初始激光能量E0、能量遞增梯度ΔE和最大激光能量Em進行優(yōu)化,當(dāng)薄膜元件力學(xué)性能和抗激光損傷能力不再提升,且滿足實驗樣品的要求時,停止循環(huán),完成薄膜元件力學(xué)性能后處理;此時認(rèn)為達到最佳激光沖擊波后處理效果,對應(yīng)的即為最優(yōu)激光沖擊波后處理工藝參數(shù);所述最優(yōu)激光沖擊波后處理工藝,包括初始激光能量、能量遞增梯度、最大激光能量和光斑搭接率等。
(15)改變鍍膜參數(shù)(沉積速率、沉積溫度等),重復(fù)步驟(1)~(14),還可獲得激光沖擊波后處理對同一類型不同微結(jié)構(gòu)的光學(xué)薄膜元件力學(xué)性能的提升規(guī)律。