抛光表面的亚表层损伤检测方法研究

光学元件磨削加工引入的亚表面损伤威胁着光学元件的使用性能及寿命,成为现阶段高能激光发展的瓶颈问题,特别是抛光表面光学元件的亚表面损伤检测已成为光学元件制造行业的研究热点和难点.本文结合光学共聚焦成像、层析技术、显微光学、光学散射以及微弱信号处理等技术,给出了基于光学共焦层析显微成像的光学元件亚表面损伤检测方法.分析了不同针孔大小对测量准确度的影响,并首次给出了亚表面损伤的纵向截面分布图.与腐蚀法比较结果显示:针对自行加工的同一片K9玻璃,采用本文提出的方法测得的亚表面损伤深度45 μm左右;采用化学腐蚀处理技术,对光学元件逐层刻蚀,观察得到的亚表面损伤深度50~55 μm.两者基本一致,进一步验证了本文采用的方法可以实现对光学元件亚表面损伤的定量、非破坏检测.     

光学元件亚表面缺陷的损伤性检测方法

在磨削、研磨和抛光加工过程中产生的微裂纹、划痕、残余应力等亚表面缺陷会导致熔石英元件抗激光损伤能力下降,如何快速、准确地检测亚表面损伤成为光学领域亟待解决的关键问题。采用HF酸蚀刻法、角度抛光法和磁流变斜面抛光法对熔石英元件在研磨加工中产生的亚表面缺陷形貌特征及损伤深度进行了检测和对比分析,结果表明,不同检测方法得到的亚表层损伤深度的检测结果存在一定差异,HF酸蚀刻法检测得到的亚表面损伤深度要比角度抛光法和磁流变斜面抛光法检测结果大一些。且采用的磨粒粒径越大,试件表面及亚表面的脆性断裂现象越严重,亚表面缺陷层深度越大。     

脆性光学材料的超声磨削实验研究

分别采用超声磨削和普通磨削加工方法加工了几种脆性光学材料,研究了几种主要工艺参数对工件加工表面粗糙度的影响。结果表明,超声频率和振幅、金刚石磨料粒度、切深、工具的横向进给速度和旋转速度等工艺参数对表面粗糙度的影响较大。通过比较发现,超声磨削方法比普通磨削方法具有更好的加工表面粗糙度,更高的材料去除率,以及更低的工具磨损量。     

基于WLI原理K9基片的亚表层损伤检测

在现代激光技术的应用发展中，光学元件在其制造过程中形成的亚表层损伤是导致激光损伤的主要根源之一。光学元件亚表层的检测方法已成为光学加工领域的一个新的热点问题。利用非接触式白光干涉原理对K9基片进行亚表层损伤检测，获得基片表面至亚表面200μm深的三维立体图和纵向截切图，并精确地确定其亚表层损伤深度，以及在不同深度范围内的损伤密度。该方法与现阶段国内常用的亚表层损伤检测方法相比，具有非破坏性、纵向检测结果精确、检测过程简单快捷等特点。     

低亚表面损伤石英光学基底的加工和检测技术

制备低亚表面损伤的超光滑光学基底,是获得高损伤阈值薄膜的前提条件。针对石英材料在不同加工工序中引入亚表面损伤层的差异,首先利用共焦显微成像结合光散射的层析扫描技术,对W10和W5牌号SiC磨料研磨后的亚表面缺陷进行了检测,讨论了缺陷尺寸与散射信号强度、磨料粒径与损伤层深度间的对应关系;同时,采用化学腐蚀处理技术对抛光后样品的亚表面形貌进行了刻蚀研究,分析了化学反应生成物和亚表面缺陷对刻蚀速率的影响、不同深度下亚表面缺陷的分布特征,以及均方根粗糙度与刻蚀深度间的联系。根据各道加工工艺的不同采用了相应的亚表面检测技术,由此来确定下一道加工工序,合理的去除深度,最终获得了极低亚表面损伤的超光滑光学基底。     

磷酸盐钕玻璃表面/亚表面损伤特性实验研究

系统地研究了光学研磨过程中,磨料粒径、载荷大小以及机床转速对钕玻璃表面及亚表面损伤的影响。结果表明,机床转速和载荷基本不改变材料表面粗糙度,而较大载荷或较低机床转速产生较大的亚表面缺陷,表面粗糙度和亚表面缺陷缺陷深度基本与最大磨料粒径呈正比,载荷增倍使亚表面缺陷与表面粗糙度的常数比值增加0.05。研究结果为钕玻璃加工工艺改进提供了参考依据。     

K9基片的亚表面损伤探测及化学腐蚀处理技术研究

 研究了几种类型的腐蚀液对K9基片化学腐蚀的影响。通过腐蚀液对基片纵向腐蚀速度的变化初步判断了K9基片重沉积层的深度。考察了腐蚀前后基片表面参数的变化以及腐蚀对激光损伤阈值的影响。研究表明,特定的腐蚀液能够对K9基片进行平稳可控的腐蚀,并且腐蚀能提高其激光损伤阈值,其主要原因是去除了重沉积层及表面、亚表面缺陷中的污染物,但过多的腐蚀会暴露本来为重沉积层所掩盖的划痕等亚表面缺陷,所以腐蚀并非越深越好。同时,表面各种杂质与缺陷的去除能够提高材料的机械强度,从而也有利于提高材料的激光损伤阈值。     

纳秒强激光诱导K9玻璃表面损伤实验

 使用脉宽约10 ns的Nd:YAG激光器,研究低加工缺陷条件下K9光学玻璃在单激光脉冲作用下的损伤形貌。利用软边光阑加长程衍射的方法实现光斑整形,利用微分干涉光学显微镜和扫描电镜对样品前后表面的损伤形貌进行观察和成像,对比研究了K9光学玻璃前后表面的损伤形貌,分析了损伤机制。研究结果显示：在红外纳秒激光辐照下,加工缺陷是K9光学玻璃产生初始损伤的主要诱因;前表面的损伤主要表现为微坑及高温等离子体产生的冲蚀变色和表面微裂纹;后表面出现了均匀的亚波长周期性光栅结构,这种周期性结构是后表面损伤增长的主要诱因。     

熔石英元件HF刻蚀的实验研究

为深入了解熔石英元件化学刻蚀过程,研究了HF刻蚀反应机理、HF刻蚀工艺参数以及刻蚀对表面质量的影响规律。通过控制变量法,获得刻蚀速率随HF浓度、刻蚀温度以及NH4F浓度的变化规律。对刻蚀不同深度后的元件表面粗糙度、形貌、杂质含量以及激光损伤阈值进行了检测,实验结果表明:刻蚀速率受多种因素共同影响,其中HF浓度的促进作用最为显著;刻蚀后的熔石英表面形貌复杂,有横向、纵向、拖尾等形式的划痕,以及坑点、杂质等缺陷,其中横向划痕和纵向划痕占据了缺陷部分的主体,主要杂质铈元素随刻蚀时间的增长不断减少;激光损伤阈值测量实验表明,通过HF刻蚀将元件损伤阈值提高了59.6%。     

切削用量对铝靶表面质量的影响

 采用单点金刚石切削技术，完成了对ICF实验用铝靶的切削加工，重点研究了切削用量对加工表面质量的影响。实验结果表明：采用较小的进给速度，较大的主轴转速能够获得较低的表面粗糙度，切削深度对表面质量影响较小。通过Form Talysurf 表面轮廓仪测量，结果表明表面粗糙度小于50 nm。     

Morphology and distribution of subsurface damage in optical fused silica parts: Bound-abrasive grinding

The depth and morphology of subsurface damage (SSD) in fused silica samples ground with diamond grinding wheels were investigated. The factors possibly influencing the SSD depth of ground samples were examined. The results demonstrate that the SSD depth is most responsive to diamond grit size while the processing parameters (i.e. depth of cut, feed rate, and wheel peripheral speed) have marginal effects on the SSD depth. The SSD depth decreases with the abrasive/grit size of diamond wheels and slightly diminishes with the decrease of cutting depth but little influenced by feeding rate and wheel speed. The morphology inspection shows that the density of subsurface cracks in ground fused silica samples decays exponentially with the depth from the ground surface into the bulk and the cracks vanish at a certain depth that depends on the mechanical and physical properties of samples and diamond abrasives/grits.     

酸蚀深度对熔石英三倍频激光损伤阈值的影响

 采用干涉仪和台阶仪测试蚀刻深度随时间的变化,结合材料去除速率测量,研究了HF酸蚀液对熔石英表面蚀刻的影响。测试了蚀刻后损伤阈值和表面粗糙度的变化。研究表明,熔石英表面重沉积层厚度约16 nm,亚表面缺陷层大于106 nm;重沉积层去除后损伤阈值增大,随亚表面缺陷层暴露其阈值先降低后又增加,最后趋于稳定;然而,随蚀刻时间的增加,其表面粗糙度增大。分析表明,蚀刻到200 nm能有效地提高熔石英的低损伤阈值,有利于降低初始损伤点数量和提高熔石英表面的机械强度。     

切削参数对KDP晶体加工表面实际频率特征的影响

针对采用单点金刚石超精加工的KDP晶体光学表面,研究了切削参数对微观形貌频率特征的影响。通过功率谱密度获得表面轮廓频率分布,并用连续小波重构加工过程中随切削用量变化的微观轮廓频率特征。结果表明:切削参数对微观形貌的影响具体表现在实际频率特征上,中频特征波长及幅值反映了切深及转速变化,随切深及转速增加,幅值变大;低频特征反映了进给量变化,随着进给量变小,频率及幅值变小;高频特征是加工过程中振动及材料各向异性的具体表现。     

减少光学元件亚表面缺陷的方法研究

针对强激光光学元件的应用要求,对光学材料在研磨和抛光过程中形成的亚表面缺陷进行了分析,并借鉴小工具数控抛光和Marangoni界面效应,提出采用数控化学刻蚀技术来实现光学表面面形和微结构形貌的高准确度加工．通过实验对亚表面缺陷的分布位置和特性进行了分析,实验验证了在静止和移动条件下Marangoni界面效应的存在．对材料的定量去除进行了实验,提出了亚表面缺陷的去除方法．