CN103885099A - 一种基于多次迭代刻蚀的透射光学元件损伤阈值提升方法 - Google Patents

一种基于多次迭代刻蚀的透射光学元件损伤阈值提升方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多次迭代刻蚀技术的透射型光学元件损伤阈值提升方法，该方法包括以下步骤：采用高浓度氢氟酸溶液对光学元件进行快速刻蚀，刻蚀深度为d1；利用环形抛光机对光学元件进行快速抛光，抛光去除深度为d2；光学元件在300度高温下烘烤，然后利用离子源对光学元件表面进行轰击刻蚀，刻蚀深度为d3；再次低速抛光处理，抛光去除深度为d4；再次利用离子源对光学元件表面进行轰击刻蚀，刻蚀深度为d5。与现有技术相比，本发明具有针对性强、重复性好等优点，通过多次迭代刻蚀，特别是采用逐次递减的去除深度和去除速率，能够大幅提升透射型光学元件的损伤阈值。

Description

一种基于多次迭代刻蚀的透射光学元件损伤阈值提升方法
技术领域
本发明涉及透射型光学元件领域，尤其是涉及一种利用多次刻蚀技术提升透射型光学元件损伤阈值的方法。
背景技术
透射型光学元件是高功率激光系统中的关键元件，而透射型光学元件的激光损伤阈值是限制强激光技术向高功率、高能量方向发展的重要瓶颈之一。相比反射型光学元件，透射型光学元件在强激光辐照下更容易发生损伤。其主要原因为光学元件在切割、研磨和抛光等光学冷加工过程中不可避免的引入各种类型的缺陷，如纳米尺度的吸收性缺陷，微米尺度的划痕、裂纹和麻点等。当激光作用在这些表面和亚表面缺陷时，由于吸收性缺陷对激光的强烈吸收将引起局部区域的快速温升、以及结构性缺陷对激光光场的调制放大都将造成材料的热力破坏，形成显著的损伤结构，最终导致光学元件失效而无法继续使用。因此，只有不断减少和控制缺陷，才能有效提升透射型光学元件的损伤阈值。
当前，广泛采用氢氟酸刻蚀、离子束刻蚀或磁流变刻蚀来去除光学元件在前期加工中引入的缺陷结构，并在一定程度上提升了光学元件的损伤阈值。随着激光功率的不断提升，对更高损伤阈值透射型光学元件的需求也逐渐迫切。然而，上述任何一种刻蚀技术或后处理工艺，都会在去除其它技术或工艺产生缺陷的同时而引入新的缺陷，比如，氢氟酸刻蚀将引入化学杂质和化学生成物等，离子束刻蚀将产生带电杂质和喷溅污染等。因此，为获得更高损伤阈值的透射型光学元件，需要发展和完善刻蚀技术，尽可能的减小缺陷层厚度和缺陷尺寸、减少污染物的引入。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的污染物和杂质引入难题，提供一种基于多次迭代刻蚀技术的透射型光学元件损伤阈值提升方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于多次迭代刻蚀技术的透射型光学元件损伤阈值提升方法，该方法包括以下步骤：
①首先，在超声波环境下采用氢氟酸溶液对光学元件进行刻蚀，刻蚀深度为d1，
然后利用去离子水进行漂洗、喷淋；
②利用环形抛光机对光学元件进行抛光处理，抛光去除深度为d2；
③将光学元件放入电子束蒸发式镀膜机，在300度高温下烘烤60分钟，利用离子源对光学元件表面进行轰击刻蚀，刻蚀深度为d3；
④再次利用环形抛光机对光学元件进行抛光处理，抛光去除深度为d4；
⑤对光学元件进行清洗，之后将光学元件放入电子束蒸发式镀膜机，再次利用离子源对光学元件表面进行轰击刻蚀，刻蚀深度为d5。
所述的步骤①具体为：
11)超声波环境为40kHz、80kHz、120kHz、140kHz、170kHz、220kHz和270kHz七频循环振动；
12)氢氟酸溶液的浓度为40％，溶液温度为60度，刻蚀时间为5-30分钟，刻蚀深度d1为50-300微米；
13)漂洗溶液为去离子水，漂洗时间30分钟；
14)喷淋溶液为去离子水，喷淋时间为10分钟。
所述的步骤②具体为：
21)抛光颗粒为500目尺寸的氧化铈或氧化锆颗粒；
22)抛光过程中利用辅助板压在光学元件上方，增大自重压力，增加抛光速率；
23)抛光去除速率为1微米/小时，抛光去除深度d2为5-10微米。
所述的步骤③具体为：
31)将光学元件放入电子束蒸发式镀膜机；
32)控制镀膜机真空室的本底真空度为1×10-3Pa-6×10-3Pa；
33)在300度高温下烘烤光学元件60分钟；
34)利用离子源对光学元件进行轰击刻蚀，时间为30-120分钟，控制氧气流量为30-50sccm，氩气流量为5-40sccm，电压为200V-1200V，电流为200mA-1100mA；
35)离子束刻蚀深度d3为0.5-3微米。
所述的步骤④具体为：
41)抛光颗粒为500目尺寸的氧化铈或氧化锆颗粒；
42)抛光去除速率为0.1微米/小时，抛光去除深度d4为0.5-1微米。
所述的步骤⑤具体为：
51)利用去离子水对光学元件表面进行清洗，采用高纯氮气吹干后放入镀膜机；
52)控制镀膜机真空室的本底真空度为1×10-3Pa-6×10-3Pa；
53)利用离子源对光学元件进行轰击刻蚀，时间为5-30分钟，控制氧气流量为30-50sccm，氩气流量为5-40sccm，电压为200V-1200V，电流为200mA-1100mA；
54)离子束刻蚀深度d5为0.1-0.5微米；
55)将多次迭代刻蚀的光学元件取出，或由镀膜机完成减反射薄膜的镀制，由此获得未镀膜或镀膜的透射型光学元件。
所述的光学元件为平面的熔融石英或K9玻璃材料；所述的①②④步骤在千级洁净环境中完成。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
1.通过高浓度氢氟酸的快速刻蚀，将光学元件深度在50-300微米范围内的亚表面缺陷全部去除，包括纳米尺寸吸收中心、微裂纹、微划痕和其它微小尺度缺陷；
2.氢氟酸刻蚀引入的化学残留、杂质，以及面形恶化、原有缺陷尺寸扩展等问题，通过随后的抛光步骤去除，并且环形抛光能够有效保证光学元件的面形精度；
3.抛光引入的吸收性杂质和微缺陷，经过高温烘烤将更容易暴露出来，可以利用离子束刻蚀有效去除；
4.离子束刻蚀引入的带电杂质和喷溅污染，利用第二次低速抛光去除；
5.第二次低速抛光引入的吸收性杂质和微缺陷，最后在离子束刻蚀较浅深度后得到去除。
通过多次迭代刻蚀，特别是采用逐次递减的去除深度和去除速率，当前步骤将有效去除上一步骤产生的缺陷和污染物，而当前步骤引入的新缺陷和污染物逐渐减小，直至残留缺陷对透射型光学元件损伤阈值的影响较小，从而达到显著提升损伤阈值的目的。
本发明针对影响透射型光学元件损伤阈值提升的亚表面缺陷的有效去除问题，通过多次迭代刻蚀逐步减少缺陷层，最终实现损伤阈值的明显提升。该方法针对性强，能够大幅提升透射型光学元件的损伤阈值。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种基于多次迭代刻蚀的透射光学元件损伤阈值提升方法，该方法包括以下步骤：
①首先，在超声波环境下采用氢氟酸溶液对光学元件进行刻蚀，刻蚀深度为d1，然后利用去离子水进行漂洗、喷淋；
11)超声波环境为40kHz、80kHz、120kHz、140kHz、170kHz、220kHz和270kHz七频循环振动；
12)氢氟酸溶液的浓度为40％，溶液温度为60度，刻蚀时间为5-30分钟，刻蚀深度d1为50-300微米；
13)漂洗溶液为去离子水，漂洗时间30分钟；
14)喷淋溶液为去离子水，喷淋时间为10分钟。
②利用环形抛光机对光学元件进行抛光处理，抛光去除深度为d2；
21)抛光颗粒为500目尺寸的氧化铈或氧化锆颗粒；
22)抛光过程中利用辅助板压在光学元件上方，增大自重压力，增加抛光速率；
23)抛光去除速率为1微米/小时，抛光去除深度d2为5-10微米。
③将光学元件放入电子束蒸发式镀膜机，在300度高温下烘烤60分钟，利用离子源对光学元件表面进行轰击刻蚀，刻蚀深度为d3；
31)将光学元件放入电子束蒸发式镀膜机；
32)控制镀膜机真空室的本底真空度为1×10-3Pa-6×10-3Pa；
33)在300度高温下烘烤光学元件60分钟；
34)利用离子源对光学元件进行轰击刻蚀，时间为30-120分钟，控制氧气流量为30-50sccm，氩气流量为5-40sccm，电压为200V-1200V，电流为200mA-1100mA；
35)离子束刻蚀深度d3为0.5-3微米。
④再次利用环形抛光机对光学元件进行抛光处理，抛光去除深度为d4；
41)抛光颗粒为500目尺寸的氧化铈或氧化锆颗粒；
42)抛光去除速率为0.1微米/小时，抛光去除深度d4为0.5-1微米。
⑤对光学元件进行清洗，之后将光学元件放入电子束蒸发式镀膜机，再次利用离子源对光学元件表面进行轰击刻蚀，刻蚀深度为d5。
51)利用去离子水对光学元件表面进行清洗，采用高纯氮气吹干后放入镀膜机；
52)控制镀膜机真空室的本底真空度为1×10-3Pa-6×10-3Pa；
53)利用离子源对光学元件进行轰击刻蚀，时间为5-30分钟，控制氧气流量为30-50sccm，氩气流量为5-40sccm，电压为200V-1200V，电流为200mA-1100mA；
54)离子束刻蚀深度d5为0.1-0.5微米；
55)将多次迭代刻蚀的光学元件取出，或由镀膜机完成减反射薄膜的镀制，由此获得未镀膜或镀膜的透射型光学元件。
所述的光学元件为平面的熔融石英或K9玻璃材料；所述的①②④步骤在千级洁净环境中完成。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于多次迭代刻蚀技术的透射型光学元件损伤阈值提升方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)首先，在超声波环境下采用氢氟酸溶液对光学元件进行刻蚀，刻蚀深度为d1，然后利用去离子水进行漂洗、喷淋；
2)利用环形抛光机对光学元件进行抛光处理，抛光去除深度为d2；
3)将光学元件放入电子束蒸发式镀膜机，在300度高温下烘烤60分钟，利用离子源对光学元件表面进行轰击刻蚀，刻蚀深度为d3；
4)再次利用环形抛光机对光学元件进行抛光处理，抛光去除深度为d4；
5)对光学元件进行清洗，之后将光学元件放入电子束蒸发式镀膜机，再次利用离子源对光学元件表面进行轰击刻蚀，刻蚀深度为d5。
2.根据权利要求1所述的一种基于多次迭代刻蚀技术的透射型光学元件损伤阈值提升方法，其特征在于，所述的步骤①具体为：
1)超声波环境为40kHz、80kHz、120kHz、140kHz、170kHz、220kHz和270kHz七频循环振动；
2)氢氟酸溶液的浓度为40％，溶液温度为60度，刻蚀时间为5-30分钟，刻蚀深度d1为50-300微米；
3)漂洗溶液为去离子水，漂洗时间30分钟；
4)喷淋溶液为去离子水，喷淋时间为10分钟。
3.根据权利要求1所述的一种基于多次迭代刻蚀技术的透射型光学元件损伤阈值提升方法，其特征在于，所述的步骤②具体为：
1)抛光颗粒为500目尺寸的氧化铈或氧化锆颗粒；
2)抛光过程中利用辅助板压在光学元件上方，增大自重压力，增加抛光速率；
3)抛光去除速率为1微米/小时，抛光去除深度d2为5-10微米。
4.根据权利要求1所述的一种基于多次迭代刻蚀技术的透射型光学元件损伤阈值提升方法，其特征在于，所述的步骤③具体为：
1)将光学元件放入电子束蒸发式镀膜机；
2)控制镀膜机真空室的本底真空度为1×10-3Pa-6×10-3Pa；
3)在300度高温下烘烤光学元件60分钟；
4)利用离子源对光学元件进行轰击刻蚀，时间为30-120分钟，控制氧气流量为30-50sccm，氩气流量为5-40sccm，电压为200V-1200V，电流为200mA-1100mA；
5)离子束刻蚀深度d3为0.5-3微米。
5.根据权利要求1所述的一种基于多次迭代刻蚀技术的透射型光学元件损伤阈值提升方法，其特征在于，所述的步骤④具体为：
1)抛光颗粒为500目尺寸的氧化铈或氧化锆颗粒；
2)抛光去除速率为0.1微米/小时，抛光去除深度d4为0.5-1微米。
6.根据权利要求1所述的一种基于多次迭代刻蚀技术的透射型光学元件损伤阈值提升方法，其特征在于，所述的步骤⑤具体为：
1)利用去离子水对光学元件表面进行清洗，采用高纯氮气吹干后放入镀膜机；
2)控制镀膜机真空室的本底真空度为1×10-3Pa-6×10-3Pa；
3)利用离子源对光学元件进行轰击刻蚀，时间为5-30分钟，控制氧气流量为30-50sccm，氩气流量为5-40sccm，电压为200V-1200V，电流为200mA-1100mA；
4)离子束刻蚀深度d5为0.1-0.5微米；
5)将多次迭代刻蚀的光学元件取出，或由镀膜机完成减反射薄膜的镀制，由此获得未镀膜或镀膜的透射型光学元件。
7.根据权利要求1所述的一种基于多次迭代刻蚀技术的透射型光学元件损伤阈值提升方法，其特征在于，所述的光学元件为平面的熔融石英或K9玻璃。
8.根据权利要求1所述的一种基于多次迭代刻蚀技术的透射型光学元件损伤阈值提升方法，其特征在于，所述的步骤①②④在千级洁净环境中完成。
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