光学元件的表面划痕及其对入射激光的调制作用

第ｌ９卷第３期　２００７年３月　强　激　光　与　粒　子　束　

ＨＩＧＨ　ＰＯＷＥＲ　Ｉ　ＡＳＥＲ　ＡＮＤ　ＰＡＲＴＩＣＬＥ　ＢＥＡＭＳ　Ｖｏ１．１９，Ｎｏ．３　Ｍａｒ．，２００７　

，　文章编号：１００１－４３２２（２００７）０３—０３７３—０４　

光学元件亚表面缺陷结构的蚀刻消除　

项　震　，　聂传继　，　葛剑虹　，　侯　晶。，　许　乔。　

（１．浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，杭州３１００２７；２．成都精密光学工程研究中心，成都６１００４１）　

摘要：　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。　

关键词：　化学刻蚀；　Ｍａｒａｎｇｏｎｉ界面效应；　亚表面缺陷；　抛光　

中图分类号：ＴＮ２４４　文献标识码：Ａ　

目前，实用先进光学制造技术是国际研究的热点，主要以使用旋转抛光盘的小工具数控抛光技术［１　为代　

表，这种抛光技术均依赖于需校准的材料去除率，在加工过程中需对工件反复进行测量一加工一测量，批量化成　

本较高。散粒磨料小工具抛光技术在加工过程中由于存在局部的机械应力，因而无法加工超薄的元件。此外，　

还有两个问题：一是数控抛光过程容易形成小尺度的碎带误差，在高功率激光应用中可能形成严重的非线性增　

长，从而造成损伤；二是抛光过程中使用了抛光粉等辅料，容易造成光学表面的亚表面缺陷，在高功率密度的系　

统中也易导致光学元件的损伤。因此，寻找可控性强、加工机制单纯且无亚表面缺陷的抛光头是此项技术应用　

于强激光系统的关键。借鉴小工具数控抛光基本工艺思想Ｌ２　的湿法化学刻蚀方法，利用Ｍａｒａｎｇｏｎｉ界面梯度　

第５２卷第６期　２０１３年１１月　厦门大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉａｍｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　ＶｏＬ　５２　Ｎｏ．６　ＮＯＶ．２０１３　光学元件微纳加工亚表面损伤去除特性分析　陈梅云，吴海韵，傅伟强，郭隐彪　（厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门３６１００５）　摘要：针对光学元件加工过程中产生的亚表面损伤（ＳＳＤ），回顾了几种ＳＳＤ表征技术以及材料去除机理，通过实验重　新评价不同材料的公式可行性，分析其误差较大的原因．在此基础上，提出了修正后的材料去除公式．实验表明，修正后　的材料去除率（ＭＲＲ）误差波动范围大幅减小，可以通过材料去除公式严格控制加工参数，实现最大效率的ＳＳＤ去除；同　时，对元件表面进行分步蚀刻，利用光学显微镜和扫描电子显微镜（ＳＥＭ）观察ＳＳＤ的形貌，实验结果表明光学元件产生　的ＳＳＤ深度随刻蚀时间不断变化，裂纹的宽度及形状也随着刻蚀时间不断变化，分步优化腐蚀及显微镜观测的方法，不　仅有效地简化了检测步骤，而且准确率高．　关键词：机械化学抛光；光学元件；亚表面损伤；材料去除率；蚀刻　中图分类号：ＴＮ　２０５　文献标志码：Ａ　文章编号：０４３８—０４７９（２０１３）０６—０７９１—０６　随着强激光领域、光刻领域以及相关光学技术领　域的发展，对光学元件的质量要求越来越高，不仅要求　其具有很高的表面光滑度，还要求无亚表面损伤　（ＳＳＤ）．国内外学者在元件损伤机理上的大量研究表　明，光学元件在加工过程中产生的ＳＳＤ会直接影响材　料在强激光领域中的使用性能和寿命等重要指标，因　此有效地对ＳＳＤ进行检测并在加工阶段进行控制就　显得尤为重要＿１　］．　诱导激光损伤发生的ＳＳＤ主要包括抛光引入的　杂质污染和研磨、抛光过程中形成的ＳＳＤ，如划痕、裂　纹等．对于脆性材料研磨或抛光导致的ＳＳＤ分布及其　产生机制，主要分为热效应和自聚焦［３］．目前文献中已　提出多种ＳＳＤ深度评价方法．传统的方法主要包括角　度抛光法和击坑法＿４］，利用特殊的抛光技术去除部分　材料（去除厚度超过ＳＳＤ深度），再结合化学蚀刻打开　裂纹，使用光学显微镜观察来确定ＳＳＤ深度　］，这些　传统的方法本身可能会形成新的裂纹或造成原有裂纹　扩展．基于ＨＦ的湿法化学蚀刻技术在检测抛光样品　和研磨的样品中都起着重要的作用ｌ７］，因为ＳＳＤ总是　处于闭合状态或被抛光层所覆盖，很难直接观察到¨８］，　收稿日期：２０１３－０３—１４　基金项目：国家自然科学基金项目（５１０７５３４３）；厦门大学基础创新　科研基金项目（２０１２１２Ｇ０１１）　＊通信作者：ｇｕｏｙｂ＠ｘｍｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　例如Ｎｅａｕｐｏｒｔ等［ｇ　提出的２种检测研磨裂纹深度的　方法．大量的研究表明基于ＨＦ蚀刻是检测ＳＳＤ的主　要方法．　本文基于机械化学抛光（ＣＭＰ）对Ｌｕｏ等口。。提出　的材料去除率（ＭＲＲ）公式，进行实验并分析其误差产　生的原因，分别针对Ｋ９、ＹＡＧ、ＪＧＳ１　３种材料进行　ＭＲＲ公式的修正，并得到修正后的ＭＲＲ公式．并结　合以上研究学者的研究成果，首先用Ｔａｙｌｏｒ　Ｈｏｂｓｏｎ　对光学元件表面形貌进行检测，然后进行分步优化刻　蚀，采用Ｌｅｏ　１５３０扫描电子显微镜对表面刻蚀现象与　亚表面裂纹形状进行观察．本方法不仅有效地简化了　检测步骤，而且准确率高．　光学元件材料去除　１．１　ＣＭＰ抛光材料去除机理　ＣＭＰ是机械磨削和化学腐蚀的组合技术，它属于　环形抛光阶段，它的基本原理是在一定的压力及抛光　液（由超细颗粒抛光剂、化学氧化剂和液体介质水组成　的混合液）的存在下，待抛光工件相对于抛光垫做旋转　运动，借助磨粒的机械磨削及化学氧化剂的腐蚀作用　来完成对工件表面的材料去除，并获得光洁表面．一方　面，磨料与材料表面相互摩擦产生热量，提供固相化学　反应产生的条件，抛光液中的化学成分与材料表面发　生化学反应，将硬度高、化学性质稳定的物质转化为结　

光学 元件表面光洁度标准1（可编辑）

* 一.定义: 表面缺陷标准:依据美国军用标准MIL-PRF-13830B用两组数字表示表面缺陷大小。例如40/20(或40-20)前者限制划痕大小，后者限制麻点大小。

道子、亮路都统称为划痕。 斑点、坑点、点子 都称为麻点。 规定长与宽的比大于4:1的为划痕;长与宽的比小于4:1的为麻点。 点子 划痕 当元件的不同区域表面光洁度要求不一样时，等效直径的计算以区域进行:表面质量要求高的内区域其等效直径以内区域为准(如有效孔径的区域)，表面质量要求低的外区域计算的是整体元件的等效直径。 划痕 点子 A区20-10 B区80-50 如左图元件表面质量要求不同，则在判定A区是否符合要求时，应取内圆直径进行计算。而B区则取整个元件的圆直径 三角的面积为(低×高)/2 a ×b /2 三角等效直径D 长方形面积 长×宽 a ×b 长方形的等效直径D D 面积 π D/2 2 a b 美军标规定对于非圆形元件其直径取相等面积圆的直径。 a h A区:20-10 B区:80-50 3mm 1mm 4mm 2mm 对于长方形元件(当长与宽的比 5:1时)可以用简单公式:等效直径 (长+宽)/2来计算。如左图元件 A区等效直径为(1+3)/2 2mm B区等效直径为(2+4)/2 3mm 对于长与宽比?5:1的产品不能用简单公式计算等效直径 划痕: 以美国军用标准《MIL-O-13830》的表面质量划痕样板作为各级数划痕的比对标准。(注意:美军标未指明划痕的计量单位也即未确定划痕的宽度和深度，只能以实际观察样版为标准。) 这里的划痕级数就是通常的划痕号数，标准样版有10#、20#、40#、60#、80# 5个级。

SC-QA027表面质量标准共有7条划痕判定标准，前5条是美军标的规定，后两条是公司内控标准。以下逐条讲解: 1.当元件的划痕级数超过表面质量要求的划痕级数时，元件不合格。 例如:元件的表面质量要求为60―

随着现代工业的快速发展，精密光学元件在各个工业领域有狷广泛的应用，光学元件作为实现光学功能的载体，为各类光学仪§§的开发使用起到了至关更要的作用.所以，避于光学元件表面具有的散射特性，如何更好地对元件表面缺陷进行检测也随之祓提出来.

光学元件的检测过程十分繁琐并且充满若不确定性，光学元件按组成材料可分为普通光学玻璃、较玻璃、熔融石英光学玻璃、氟化钙(CaF2)等一系列材料；按光学元件口径可有大到几米也有小到一二五米的，差别可达到数千倍；按光学元件外形的不同可分为平板、非球面靶镜、球面透镜、柱面透镜、角锥棱镜、偏光镜、玻璃球等.为了适用于以上三个方面的各种光学元件的需求，测量仪器、环境、设备、技术必定是各式各样的.面对如此种类繁多、功能和外形各不相同的光学元件，需要我们去探索相应的检测技术.

因此，本文主要从光学元件表面缺陷、表面散射特性，以及目前国内外各种研究方法等方面，对光学元件表面疵病检测的相关研究进行综述，并探讨利用机器视觉的缺陷检测技术及未来的发展趋势.

1光学元件表面缺陷

光学元件表面面形误差和表面殂幅度的检测是光学检测技术研究领域的更点，由于光学元件表面质量的好坏直接影响整个光学系统的性能，所以想要使光学仪器设得能更高效地工作，不仅在加工时需要注意光学元件的表面质量,而且对成品元件的检测工作也不能忽视,因此，光学元件表面缺陷检测将成为一项重要而持久的研究课题.

1.1 表面缺陷类型

所谓的光学元件表面跳陷，主要是指表面疵病和表面污染物.表面疵病是指抛光加工后的光学元件表面依然存在的麻点、划痕、开口气泡、破边、破点等各种加工缺陷，产生的原因主要是加工过程或后续的不当操作.图1所示为四种症病的大致形状。

划痕指光学元件表面长条形的划伤痕迹。由划痕长度的不同，可以分为长划痕和短划痕，以2mm为界限，若划痕长度大于2mm属于长划痕，小于2mm则是短划痕.对于短划痕，评价标准是其检测时的累积长度.相对而言，划痕较麻点等缺陷更容易检测出. (•)划“