光学亚表面损伤的探测和后处理技术

光学元件被污染和亚表面存在的缺陷将使它的性质受损。即使是微小尺寸的缺陷（小于φ1μm）也会引起激光损伤。国外研究表明，光学元件在其制造过程中形成的亚表面缺陷是导致紫外损伤的主要根源之一。光学元件的损伤问题已成为高功率固体激光装置研制的核心问题，而紫外的损伤尤为严重。     

光学元件亚表面缺陷的全内反射显微检测

 光学元件亚表面缺陷的有效检测已成为高阈值抗激光损伤光学元件制造的迫切要求。基于全内反射照明原理开展了全内反射显微技术检测光学元件亚表面缺陷的实验研究。结果表明：全内反射显微技术可有效检测光学元件亚表面缺陷;入射光偏振态和入射角度会影响元件内界面下不同深度处驻波形式照明强度的分布,对于可见度发生明显改变的微小缺陷点能衡量出其一定的深度尺寸范围;利用显微镜精密调焦对界面下一定深度处缺陷成像,可知缺陷点的位置深度。     

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.     

聚焦光在亚表面损伤介质中的散射特性

针对光学元件的亚表面缺陷,结合基于激光共焦层析的亚表层检测方法,建立聚焦光束在亚表面损伤介质中的传输模型,并采用有限元分析方法,仿真研究K9玻璃光学元件亚表层缺陷对聚焦光束的散射调制特性,特别对颗粒状和微裂纹两类特殊缺陷的光学调制特性进行研究和分析,探索了波长、缺陷大小、缺陷折射率及缺陷方向对聚焦光束散射特性的影响规律,通过分析包含亚表面损伤缺陷信息的光场分布图和强度变化曲线,获得了亚表面损伤缺陷的信息,并对其进行评价。     

石英玻璃片的化学抛光工艺研究

石英玻璃是紫外光刻、激光核技术等精密光学系统的关键光学元件.石英玻璃在加工过程中易出现表面及亚表面损伤和蚀坑等缺陷问题,化学抛光能有效消除石英玻璃的亚表面损伤.介绍了石英玻璃片的化学抛光工艺原理和过程,利用正交实验法优化了石英玻璃化学抛光工艺参数,分析了化学抛光过程中抛光液成分、抛光液温度和抛光时间对石英玻璃片表面粗糙...     

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。     

熔融石英光学元件亚表面缺陷三维重构技术

熔融石英光学元件的亚表面缺陷直接影响着其成像质量及激光损伤阈值等指标。相比缺陷的二维截面大小以及深度信息,亚表面缺陷三维轮廓及缺陷体积的定量检测结果可以用来更准确地评估熔融石英光学元件的加工质量。结合共聚焦显微镜的成像原理,使用共聚焦显微镜进行了熔融石英样品层析扫描实验。通过对亚表面缺陷图像特点的分析,提出了适用熔融石英元件亚表面缺陷的三维重建算法。提出的算法在亚表面缺陷重建效率与精度上均优于其他三维重建方法。根据重建后缺陷的统计结果,定量获得了熔融石英样品亚表面缺陷的完整三维信息。     

光学膜层激光预处理过程研究

 光学元件经过激光预处理后，其抗激光破坏能力最大提高2倍以上，系统研究激光预处理机理和工艺，能安全可靠地提高光学元件损伤阈值，提升高功率激光系统的能量密度。研究了几种sol gel膜、PVD膜在预处理前后膜层表面的变化（损伤形貌）以及损伤阈值的增幅，发现预处理过程膜层仍然发生了一定程度的轻微损伤，这种损伤和膜层本身缺陷、激光参数密切相关，预处理过程可逐步消除膜层缺陷。     

光学元件激光预处理技术研究进展及其应用

光学元件中的杂质和缺陷会引起其激光损伤阈值的大幅降低,现阶段这一问题已成为激光装置向高功率、高能量方向发展的“瓶颈”,亟待解决。在对光学元件激光损伤的研究中发现,用低于光学元件损伤阈值的激光对元件表面进行预处理,可以有效提高光学元件的抗激光损伤能力。对激光预处理技术的提出背景、定性作用机理、定量理论模型及国内外技术应用现状进行了概述。并且介绍了一种可在薄膜制备过程中进行原位实时激光预处理的新型薄膜制备技术。最后指出,激光预处理技术作为一种无污染,可有效改善光学薄膜、光学玻璃、光学晶体元件损伤阈值的最有效方法之一,其作用机理、实用化、仪器化还有待进一步发展。     

光学元件激光预处理技术研究进展及其应用

光学元件中的杂质和缺陷会引起其激光损伤阈值的大幅降低,现阶段这一问题已成为激光装置向高功率、高能量方向发展的“瓶颈”,亟待解决。在对光学元件激光损伤的研究中发现,用低于光学元件损伤阈值的激光对元件表面进行预处理,可以有效提高光学元件的抗激光损伤能力。对激光预处理技术的提出背景、定性作用机理、定量理论模型及国内外技术应用现状进行了概述。并且介绍了一种可在薄膜制备过程中进行原位实时激光预处理的新型薄膜制备技术。最后指出,激光预处理技术作为一种无污染,可有效改善光学薄膜、光学玻璃、光学晶体元件损伤阈值的最有效方法之一,其作用机理、实用化、仪器化还有待进一步发展。     

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。     

光学材料微缺陷引起的损伤机理及后处理

时域有限差分方法(FDTD)作为一种数值计算方法多用于对导体材料的电磁场分布计算，本研究采用此方法对光学材料表面微缺陷(结瘤、刮痕等)作了二维电磁场分析，对亚表面缺陷(气泡、杂质等)作了三维电磁场分析。计算数据分析表明：光学材料表面及亚表面微缺陷的存在，会造成缺陷附近局部区域的场强增强，使得这些部分容易发生雪崩电离等激光损伤，且不同的缺陷形态、位置和入射光的偏振态均会使局部场强增强的大小和分布不同。图1为光学元件表面有一截面的半圆形长刮痕，TM波不同角度入射时的二维电磁场模拟计算结果。对于衍射光学元件的周期性结构，也尝试用FDTD法进行了模拟计算，为多层介质膜镀制的工艺研究提供了理论基础。总之通过本研究的场强分布计算，     

基于过焦扫描光学显微镜的光学元件亚表面缺陷检测方法

微/纳米尺度亚表面缺陷会降低光学元件等透明样品的物理特性,严重影响光学及半导体领域加工制造技术的发展。为了快速、无损检测透明样品亚表面缺陷,本文针对光学元件亚表面内微米量级缺陷的检测需求,提出了一种基于过焦扫描光学显微镜（TSOM）的检测方法。利用可见光光源显微镜和精密位移台,沿光轴对亚表面缺陷进行扫描,得到亚表面缺陷的一系列光学图像。将采集到的图像按照空间位置进行堆叠,生成TSOM图像。通过获得所测特征的最大灰度值来获得亚表面缺陷的定位信息。提出方法对2000μm深亚表面缺陷的定位相对标准差达到0.12%。该研究为透明样品亚表面缺陷检测及其深度定位提供了一种新方法。     

全内反射显微技术探测亚表面缺陷新方法研究

亚表面缺陷的检测和去除对于提高光学元件的激光损伤阈值至关重要。结合全内反射显微技术和数字图像处理技术获得光学元件亚表面缺陷信息的新方法,利用显微镜系统的有限焦深,对亚表面缺陷沿深度方向扫描,可以获得不同离焦量下的散射图像,通过数字图像处理技术,建立缺陷散射图像清晰度评价值与离焦量的关系,通过清晰度曲线得到亚表面缺陷的深度位置及深度尺寸。模拟全内反射显微平台的成像过程,讨论微调焦过程中全内反射显微成像的特点。缺陷深度位置及深度尺寸的测量精度主要由载物台精密调焦机构的精度以及显微镜的焦深决定,一般可达微米量级。利用飞秒激光加工技术制备尺寸和位置已知的微结构,使用该方法准确获得了微结构信息,验证了该方法的有效性。     

光学元件亚表面缺陷结构的蚀刻消除

 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精度加工，对亚表面缺陷具有很好的克服和消除作用。通过实验对亚表面缺陷的分布位置和特性进行了分析，同时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。     

高功率固体激光装置负载问题研究进展

高功率固体激光装置的负载问题是制约装置建设与运行的瓶颈问题。在高通量紫外纳秒激光辐照下，熔石英后表面的损伤不断产生和增长，严重限制了装置的负载能力。在提升熔石英抗损伤性能的基础上修复既有损伤，循环使用光学元件，是现阶段提升装置负载能力的主要手段。主要介绍了国内外近年来在熔石英损伤的规律与机制、光学元件循环处理的支撑技术以及提升负载能力的新材料与新技术方面所取得的重要进展。     

355 nm皮秒激光辐照下熔石英的损伤特性

利用光学元件激光损伤测试平台,测试了355 nm皮秒激光辐照下熔石英光学元件的初始损伤及损伤增长情况,并通过荧光检测分析了损伤区缺陷。研究结果表明:皮秒激光较高的峰值功率导致熔石英损伤阈值较低,前表面损伤阈值为3.98 J/cm2,后表面损伤阈值为2.91 J/cm2;前后表面损伤形貌存在较大差异,后表面比前表面损伤程度轻且伴随体内丝状损伤;随脉冲数的增加后表面损伤直径增长缓慢,损伤深度呈线性增长;皮秒激光的动态自聚焦和自散焦导致熔石英体内损伤存在细丝和炸裂点重复的现象;与纳秒激光损伤相比,损伤区缺陷发生明显改变。     

CO_2激光光栅式扫描修复熔石英表面缺陷的实验研究与数值模拟

基于熔石英材料对波长为10.6μm的CO2激光具有强吸收作用这一特点,提出采用CO2激光光栅式多次扫描修复熔石英光学元件表面密集分布的划痕和抛光点等缺陷的方法.实验结果表明,在合理的扫描参数下,元件表面的划痕和抛光点等缺陷可被充分地消除.损伤阈值测试结果表明,表面划痕和抛光点等缺陷被完全消除的元件的损伤阈值可回复到或超过基底的损伤阈值.同时结合有限元软件Ansys的模拟结果分析了CO2激光扫描修复及消除元件表面划痕和抛光点等缺陷的过程.本文为消除元件表面划痕和抛光点等缺陷提供了非常有意义的参考.     

超声波辅助酸蚀提高熔石英损伤阈值

为了提高熔石英元件表面抗激光损伤阈值,利用超声波辅助HF酸研究平滑光学元件表面缺陷形貌和去除刻蚀后残留物效果,通过扫描电子显微镜电镜和原子力显微镜记录表面形貌结构,以及单脉冲激光辐照测试抗损伤阈值确定实验参数。研究表明,超声波场的引入能催化HF酸的刻蚀速率、提高钝化效果并且更易剥离嵌入的亚μm级杂质粒子。经过实验测试,获得了熔石英类元件相匹配的超声辅助HF酸刻蚀实验参数,研究结果对应用超声波辅助HF酸研究熔石英表面抗激光损伤有重要意义。     

先进光学制造技术进展

针对高功率固体激光发展的需求,总结了先进光学制造技术方面的研究进展。采用超精密制造技术提高了非球面等元件的加工精度和制造效率,并为解决低缺陷加工提供了技术途径。围绕面形误差控制,特别是中频波前误差控制,发展了多种确定性抛光技术。针对熔石英元件建立了去除-抑制模型及新的抛光技术,有效抑制了亚表面缺陷的产生。