本發(fā)明涉及熔石英光學(xué)元件拋光后激光負(fù)載能力評(píng)價(jià)方法，具體涉及一種基于光熱弱吸收的熔石英元件零概率損傷閾值預(yù)測(cè)方法，用于利用光熱檢測(cè)手段評(píng)價(jià)熔石英元件表面激光負(fù)載能力，預(yù)測(cè)熔石英元件激光損傷閾值。

背景技術(shù)：

高功率激光技術(shù)的發(fā)展，對(duì)光學(xué)元件的激光負(fù)載性能提出了更高的要求。目前，熔石英元件廣泛運(yùn)用于高功率激光器之中，其對(duì)輻照激光的吸收，會(huì)導(dǎo)致自身內(nèi)部溫度升高，表面發(fā)生熱變形和內(nèi)部折射率發(fā)生變化，最終發(fā)生激光損傷。因此。熔石英吸收損耗是限制激光器規(guī)模和能量輸出水平的重要因素。而實(shí)現(xiàn)熔石英元件吸收損耗的準(zhǔn)確評(píng)估，從而預(yù)測(cè)激光損傷閾值，對(duì)指導(dǎo)加工工藝，降低元件吸收損耗具有重要意義。

目前，光熱檢測(cè)技術(shù)是測(cè)量光學(xué)材料微弱吸收的一種新興手段。它具有靈敏度高，調(diào)節(jié)方便，非接觸式等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于激光光學(xué)元件如薄膜樣品或晶體材料的吸收檢測(cè)中?；炯夹g(shù)原理是基于材料在泵浦激光的作用下表面因吸收能量導(dǎo)致局部溫度升高，從而引起材料的物理特性變化，例如折射率的變化。這種材料特性的變化與激光參數(shù)和材料本身的光學(xué)吸收特性緊密相關(guān)。在激光參數(shù)一定的情況下，通過(guò)對(duì)光熱效應(yīng)引起的材料特性變化進(jìn)行檢測(cè)，可以獲得材料的吸收特性?；诠鈱W(xué)元件在激光輻照下的熱效應(yīng)，提出了激光量熱技術(shù)，熱透鏡技術(shù)，表面熱透鏡技術(shù)，光熱偏轉(zhuǎn)技術(shù)，光聲光譜技術(shù)等多種高靈敏測(cè)量技術(shù)。常用的是光熱偏轉(zhuǎn)技術(shù)，利用另一束較弱的探測(cè)激光來(lái)檢測(cè)和分析泵浦激光所激發(fā)的光熱效應(yīng)。當(dāng)探測(cè)激光經(jīng)過(guò)泵浦激光照射區(qū)域，因?yàn)楣鉄嵝?yīng)引起的材料特性變化會(huì)引起探測(cè)激光的光束傳播特性發(fā)生變化，比如產(chǎn)生新增的會(huì)聚或發(fā)散效應(yīng)，通過(guò)對(duì)探測(cè)光傳播特性變化量進(jìn)行測(cè)量，就可以得到材料吸收特性。材料吸收越大，引起的探測(cè)光傳播特性變化越大，相應(yīng)的測(cè)到信號(hào)也越大。而且，在一定泵浦激光功率范圍內(nèi)，吸收和測(cè)量信號(hào)呈線性關(guān)系。

利用光熱偏轉(zhuǎn)法可以準(zhǔn)確測(cè)量熔石英元件表面吸收，然而熔石英元件吸收與其激光損傷閾值之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系尚不明確。因此，需要研究熔石英元件吸收與其零概率激光損傷閾值之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用光熱檢測(cè)手段測(cè)量元件吸收，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)熔石英元件激光損傷閾值的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)熔石英元件的無(wú)損檢測(cè)、操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確性高、靈敏度高、能滿足強(qiáng)光光學(xué)系統(tǒng)使用要求的基于光熱弱吸收的熔石英元件零概率損傷閾值預(yù)測(cè)方法。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于光熱弱吸收的熔石英元件零概率損傷閾值預(yù)測(cè)方法，步驟包括：

1）預(yù)先針對(duì)與待測(cè)熔石英元件同型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)熔石英元件樣品，對(duì)表面的區(qū)域進(jìn)行不同程度加工，針對(duì)不同程度加工的區(qū)域進(jìn)行基于光熱弱吸收的光熱檢測(cè)得到光熱檢測(cè)值并進(jìn)行激光閾值測(cè)試得到零概率損傷閾值，根據(jù)各個(gè)區(qū)域的光熱檢測(cè)值及其對(duì)應(yīng)的零概率損傷閾值建立待測(cè)熔石英元件的光熱檢測(cè)-零概率損傷閾值關(guān)聯(lián)曲線模型；

2）對(duì)待測(cè)熔石英元件進(jìn)行基于光熱弱吸收的光熱檢測(cè)得到光熱檢測(cè)值；

3）針對(duì)得到的光熱檢測(cè)值，根據(jù)所述光熱檢測(cè)-零概率損傷閾值關(guān)聯(lián)曲線模型查找對(duì)應(yīng)的零概率損傷閾值，得到待測(cè)熔石英元件的零概率損傷閾值。

優(yōu)選地，步驟1）的詳細(xì)步驟包括：

1.1）預(yù)先針對(duì)與待測(cè)熔石英元件同型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)熔石英元件樣品，進(jìn)行兆聲清洗、吹干；

1.2）針對(duì)兆聲清洗后的標(biāo)準(zhǔn)熔石英元件樣品，進(jìn)行指定數(shù)量的多輪hf酸刻蝕工藝后用去離子水沖洗并用高壓氮?dú)獯蹈?，且每一輪hf酸刻蝕工藝包括用hf酸刻蝕30min和超聲水洗30min兩部分處理步驟，且所述hf酸刻蝕時(shí)hf酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%；

1.3）將吹干后的標(biāo)準(zhǔn)熔石英元件樣品劃分為多個(gè)區(qū)域，針對(duì)每一個(gè)區(qū)域分別利用離子束加工去除不同深度，針對(duì)每個(gè)區(qū)域中進(jìn)行基于光熱弱吸收的光熱檢測(cè)得到光熱檢測(cè)值并進(jìn)行1-on-1激光閾值測(cè)試得到零概率損傷閾值；

1.4）根據(jù)各個(gè)區(qū)域的光熱檢測(cè)值及其對(duì)應(yīng)的零概率損傷閾值建立待測(cè)熔石英元件的光熱檢測(cè)-零概率損傷閾值關(guān)聯(lián)曲線模型。

優(yōu)選地，步驟1.1）進(jìn)行兆聲清洗、吹干具體是指進(jìn)行兆聲清洗30min后再使用氮?dú)獯蹈伞?/p>

優(yōu)選地，步驟1.3）進(jìn)行1-on-1激光閾值測(cè)試得到零概率損傷閾值的詳細(xì)步驟包括：針對(duì)不同程度加工的每一個(gè)區(qū)域分別選擇多個(gè)能量臺(tái)階，每個(gè)能量臺(tái)階至少選擇多個(gè)測(cè)試點(diǎn)來(lái)測(cè)試各能量臺(tái)階的損傷概率，將最終得到的零損傷概率閾值作為1-on-1激光閾值測(cè)試得到的零概率損傷閾值。

優(yōu)選地，所述基于光熱弱吸收的光熱檢測(cè)具體是指基于光熱弱吸收檢測(cè)儀上進(jìn)行光熱檢測(cè)，且采用的激光參數(shù)為355nm波長(zhǎng)，重頻30khz，電流30a，激光功率3.91w，測(cè)試方式為反射，測(cè)試區(qū)域樣品表面隨機(jī)選取，區(qū)域大小為0.25mmx0.25mm，測(cè)試精度10μm。

優(yōu)選地，所述進(jìn)行兆聲清洗、吹干具體是指進(jìn)行兆聲清洗30min后再使用氮?dú)獯蹈伞?/p>

優(yōu)選地，所述基于光熱弱吸收的進(jìn)行光熱檢測(cè)以及進(jìn)行激光閾值測(cè)試均為在百級(jí)潔凈環(huán)境中進(jìn)行。

本發(fā)明基于光熱弱吸收的熔石英元件零概率損傷閾值預(yù)測(cè)方法具有下述優(yōu)點(diǎn)：熔石英元件存在激光損傷前驅(qū)體，會(huì)對(duì)輻照激光產(chǎn)生吸收，從而導(dǎo)致熔石英內(nèi)部溫度升高，表面發(fā)生熱變形和內(nèi)部折射率發(fā)生變化，最終發(fā)生激光損傷，因此實(shí)現(xiàn)熔石英元件吸收損耗的準(zhǔn)確評(píng)估，從而預(yù)測(cè)零概率激光損傷閾值，對(duì)指導(dǎo)加工工藝，降低元件吸收損耗具有重要意義。本發(fā)明通過(guò)預(yù)先針對(duì)與待測(cè)熔石英元件同型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)熔石英元件樣品測(cè)試建立待測(cè)熔石英元件的光熱檢測(cè)-零概率損傷閾值關(guān)聯(lián)曲線模型，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)只需要對(duì)待測(cè)熔石英元件進(jìn)行兆聲清洗、吹干，再進(jìn)行基于光熱弱吸收的光熱檢測(cè)得到光熱檢測(cè)值，然后根據(jù)所述光熱檢測(cè)-零概率損傷閾值關(guān)聯(lián)曲線模型查找對(duì)應(yīng)的零概率損傷閾值，得到待測(cè)熔石英元件的零概率損傷閾值，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)熔石英元件的無(wú)損檢測(cè)，具有操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確性高、靈敏度高，調(diào)節(jié)方便，非接觸式等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熔石英元件激光吸收的準(zhǔn)確檢測(cè)，能滿足強(qiáng)光光學(xué)系統(tǒng)使用要求，滿足強(qiáng)光光學(xué)系統(tǒng)對(duì)熔石英元件缺陷情況的無(wú)損檢測(cè)和閾值估計(jì)，實(shí)現(xiàn)熔石英元件激光閾值精度高的無(wú)損檢測(cè)和抗損傷評(píng)估。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例方法的基本流程示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例方法得到的光熱檢測(cè)-零概率損傷閾值關(guān)聯(lián)曲線模型。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例方法得到的光熱檢測(cè)值。

具體實(shí)施方式

下文將以一塊100mm×100mm×10mm的方形的熔石英元件作為檢測(cè)對(duì)象，對(duì)本發(fā)明基于光熱弱吸收的熔石英元件零概率損傷閾值預(yù)測(cè)方法進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本實(shí)施例基于光熱弱吸收的熔石英元件零概率損傷閾值預(yù)測(cè)方法步驟包括：

1）預(yù)先針對(duì)與待測(cè)熔石英元件同型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)熔石英元件樣品，對(duì)表面的區(qū)域進(jìn)行不同程度加工，針對(duì)不同程度加工的區(qū)域進(jìn)行基于光熱弱吸收的光熱檢測(cè)得到光熱檢測(cè)值并進(jìn)行激光閾值測(cè)試得到零概率損傷閾值，根據(jù)各個(gè)區(qū)域的光熱檢測(cè)值及其對(duì)應(yīng)的零概率損傷閾值建立待測(cè)熔石英元件的光熱檢測(cè)-零概率損傷閾值關(guān)聯(lián)曲線模型；

2）對(duì)待測(cè)熔石英元件進(jìn)行基于光熱弱吸收的光熱檢測(cè)得到光熱檢測(cè)值；

3）針對(duì)得到的光熱檢測(cè)值，根據(jù)所述光熱檢測(cè)-零概率損傷閾值關(guān)聯(lián)曲線模型查找對(duì)應(yīng)的零概率損傷閾值，得到待測(cè)熔石英元件的零概率損傷閾值。

本實(shí)施例中，步驟1）的詳細(xì)步驟包括：

1.1）預(yù)先針對(duì)與待測(cè)熔石英元件同型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)熔石英元件樣品，進(jìn)行兆聲清洗、吹干；本實(shí)施例中，步驟1.1）進(jìn)行兆聲清洗、吹干具體是指進(jìn)行兆聲清洗30min后再使用氮?dú)獯蹈伞?/p>

1.2）針對(duì)兆聲清洗后的標(biāo)準(zhǔn)熔石英元件樣品，進(jìn)行指定數(shù)量的多輪hf酸刻蝕工藝后用去離子水沖洗并用高壓氮?dú)獯蹈?，且每一輪hf酸刻蝕工藝包括用hf酸刻蝕30min和超聲水洗30min兩部分處理步驟，且所述hf酸刻蝕時(shí)hf酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%；本實(shí)施例中，具體是進(jìn)行4輪hf酸刻蝕工藝，此外也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整所述的輪數(shù)；

1.3）將吹干后的標(biāo)準(zhǔn)熔石英元件樣品劃分為多個(gè)區(qū)域，針對(duì)每一個(gè)區(qū)域分別利用離子束加工去除不同深度，針對(duì)每個(gè)區(qū)域中進(jìn)行基于光熱弱吸收的光熱檢測(cè)得到光熱檢測(cè)值并進(jìn)行1-on-1激光閾值測(cè)試得到零概率損傷閾值；本實(shí)施例中，具體是指將吹干后的標(biāo)準(zhǔn)熔石英元件樣品劃分為5個(gè)區(qū)域，針對(duì)每一個(gè)區(qū)域分別利用離子束加工去除不同深度，分別為0nm、200nm、400nm、600nm、800nm，每個(gè)區(qū)域中進(jìn)行光熱檢測(cè)和1-on-1閾值測(cè)試；

1.4）根據(jù)各個(gè)區(qū)域的光熱檢測(cè)值及其對(duì)應(yīng)的零概率損傷閾值建立待測(cè)熔石英元件的光熱檢測(cè)-零概率損傷閾值關(guān)聯(lián)曲線模型。

本實(shí)施例中，具體得到的待測(cè)熔石英元件的光熱檢測(cè)-零概率損傷閾值關(guān)聯(lián)曲線模型如圖2所示，參見(jiàn)圖2可知，本實(shí)施例中待測(cè)熔石英元件的光熱檢測(cè)-零概率損傷閾值關(guān)聯(lián)曲線模型為一條斜線模型，且擬合參數(shù)r²為0.8925。

本實(shí)施例中，步驟1.3）進(jìn)行1-on-1激光閾值測(cè)試得到零概率損傷閾值的詳細(xì)步驟包括：針對(duì)不同程度加工的每一個(gè)區(qū)域分別選擇多個(gè)能量臺(tái)階，每個(gè)能量臺(tái)階至少選擇多個(gè)測(cè)試點(diǎn)來(lái)測(cè)試各能量臺(tái)階的損傷概率，將最終得到的零損傷概率閾值作為1-on-1激光閾值測(cè)試得到的零概率損傷閾值。本實(shí)施例中，1-on-1激光閾值測(cè)試過(guò)程中每個(gè)區(qū)域分別選擇5個(gè)能量臺(tái)階，每個(gè)能量臺(tái)階至少選擇10個(gè)測(cè)試點(diǎn)用以測(cè)試各能量臺(tái)階的損傷概率，最終得到的零損傷概率閾值作為各區(qū)域的損傷閾值。

本實(shí)施例中，基于光熱弱吸收的光熱檢測(cè)具體是指基于光熱弱吸收檢測(cè)儀上進(jìn)行光熱檢測(cè)，且采用的激光參數(shù)為355nm波長(zhǎng)，重頻30khz，電流30a，激光功率3.91w，測(cè)試方式為反射，測(cè)試區(qū)域樣品表面隨機(jī)選取，區(qū)域大小為0.25mmx0.25mm，測(cè)試精度10μm。本實(shí)施例中，光熱弱吸收檢測(cè)儀具體采用合肥知常的pts-2000-rt-c型光熱弱吸收檢測(cè)儀，對(duì)每種離子束加工深度的表面進(jìn)行了兩次測(cè)量，并取平均值作為該種表面的光熱檢測(cè)值。具體結(jié)果參見(jiàn)圖3。參見(jiàn)圖3，深度為0nm區(qū)域的光熱檢測(cè)值為1.20ppm，深度為200nm區(qū)域的光熱檢測(cè)值為1.20ppm，深度為400nm區(qū)域的光熱檢測(cè)值為1.43ppm，深度為600nm區(qū)域的光熱檢測(cè)值為0.97ppm，深度為800nm區(qū)域的光熱檢測(cè)值為1.78ppm。

參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例步驟2）對(duì)待測(cè)熔石英元件進(jìn)行基于光熱弱吸收的光熱檢測(cè)之前，還包括對(duì)待測(cè)熔石英元件進(jìn)行兆聲清洗、吹干的步驟。本實(shí)施例中，進(jìn)行兆聲清洗、吹干具體是指進(jìn)行兆聲清洗30min后再使用氮?dú)獯蹈?。進(jìn)行兆聲清洗旨在清洗掉出元件表面灰塵等污染，避免干擾光熱檢測(cè)值，兆聲水洗30分鐘后，再使用氮?dú)獯蹈伞?/p>

本實(shí)施例中，基于光熱弱吸收的進(jìn)行光熱檢測(cè)以及進(jìn)行激光閾值測(cè)試均為在百級(jí)潔凈環(huán)境中進(jìn)行，全部測(cè)量流程均在百級(jí)潔凈環(huán)境中完成，確保環(huán)境污染在極低的水平。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。