CN104297153B - 用于确定光学材料激光辐照老化寿命的加速实验方法 - Google Patents

Abstract

用于确定光学材料激光辐照老化寿命的加速实验方法，涉及光学材料，解决测试光学元件的使用寿命时，存在的耗费时间长，且浪费人力物力等问题，同时采用加速实验方法时无法确定加速比的问题，本发明方法将材料加工成符合激光量热吸收测试所需的形状及尺寸；将样品表面进行抛光处理对材料进行预辐照及激光辐照，获得不同能量密度下的激光辐照吸收老化系数；利用该吸收老化系数，拟合出材料随能量密度变化的吸收老化加速比曲线；按照实际工况条件，利用吸收老化加速比曲线，计算激光辐照实验所需进行的时间。采用本方法可在相对较短的时间内，通过提高辐照能量密度实现激光辐照老化寿命的合理加速评估，达到节省评估时间及人力、物力等资源的目的。

Description

用于确定光学材料激光辐照老化寿命的加速实验方法

技术领域

本发明涉及光学材料，具体涉及一种用于确定光学材料激光辐照吸收老化加速比的方法。

背景技术

随着现实需求与应用技术的不断进步，各种光学或光电系统目前已日益成为人们日常生活中必不可少的工具。尤其是激光出现之后，以其亮度高、单色性好、方向性强及相干性能优异等优势，成为众多光学、光电系统的首选光源。随着以激光作为光源的仪器使用逐步广泛，性能也日益提高，对系统中的元器件也提出了越来越苛刻的要求。

以微细加工技术所采用的核心设备—紫外光刻系统为例：为使系统能够刻划出线宽更窄的线条，必须使用尽量短的工作波长，如工作波长为248nm的KrF准分子激光，或工作波长为193nm的ArF准分子激光作为光源；为确保光刻机能够具有每小时加工超过200片硅片的吞吐量，系统中的所有光学元件必须长时间工作于重复频率最高可达几千赫兹的激光辐照环境下，其寿命必须维持数年。

如此苛刻的使用环境，给光学元件所采用的光学材料提出了各种严格要求，其中很重要的一项就是光学材料的激光辐照老化寿命要求。制作光学元件的材料(通常是高纯度的熔石英或氟化钙)必须具有长期激光辐照稳定性。具体来说，在设备使用寿命周期内，光学材料吸收率A(在样品中被吸收能量I_A占入射光总能量I₀的比值，即A＝I_A/I₀)的增加值ΔA，或称吸收老化值，不能超过预定的指标要求。

对于此类评估，最自然的思路是采用与实际工况相同的情况进行测试。然而在实际应用中，由于测试所需进行的时间过长，这种工况条件下的测试通常在现实上不可行：在设备使用寿命周期内，材料需承受的激光脉冲数达到了近10¹¹的量级，在这种情况下，即使采用重复频率为1kHz的激光器对材料进行不间断辐照，完成老化实验也需三年多的时间。显而易见，这种时间和人力、物力成本是无法承受的，必须采用增加激光辐照密度的加速老化实验。

发明内容

本发明为解决测试光学元件的使用寿命时，存在的耗费时间长，且浪费人力物力等问题，同时采用加速实验方法时无法确定加速比的问题，提供一种用于确定光学材料激光辐照老化寿命的加速实验方法。

用于确定光学材料激光辐照老化寿命的加速实验方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、对光学材料进行加工，获得符合要求的测试样品，然后对所述测试样品进行双表面抛光处理；

步骤二、对步骤一进行抛光处理后的测试样品进行预辐照测试，完成对测试样品的激光辐照剂量效应的释放；

步骤三、对测试样品进行激光辐照，获得不同能量密度下的激光辐照吸收老化系数k(H)；H为固定激光辐照能量密度，根据所述激光辐照吸收老化系数k(H)计算测试样品的激光辐照加速比R(H₁：H₀)，用公式表示为：

R(H₁:H₀)＝k(H₁)/k(H₀)

式中，H₁、H₀为测试样品的不同辐照能量密度，并根据所述激光辐照吸收老化系数k(H)，拟合出测试样品随能量密度变化的吸收老化加速比曲线，实现对测试样品激光辐照老化寿命的测试。

本发明的有益效果：本发明针对光学材料激光辐照老化寿命评估问题，用于确定在光学材料的激光辐照老化过程中，在不同激光能量密度条件下的吸收老化加速比，并由吸收老化加速比确定加速辐照过程所需进行的时间，从而实现对材料在激光辐照条件下使用寿命的合理评估。与通常所采用的基于工况条件、能量密度较低的长期激光辐照老化实验方法相比，采用本方法可在相对较短的时间内，通过提高辐照能量密度实现激光辐照老化寿命的合理加速评估，从而达到节省评估时间及人力、物力等资源的目的。

附图说明

图1为采用本发明所述的用于确定光学材料激光辐照老化寿命的加速实验方法在激光量热仪测试过程中，光束垂直辐照样品的示意图；

图2为本发明所述的用于确定光学材料激光辐照老化寿命的加速实验方法中，激光辐照样品时，剂量效应释放过程中的吸收率与辐照剂量关系曲线图；

图3为本发明所述的用于确定光学材料激光辐照老化寿命的加速实验方法中，样品在激光辐照条件下的吸收率随能量密度变化关系曲线图；

图4为本发明所述的用于确定光学材料激光辐照老化寿命的加速实验方法中，不同能量密度下的吸收老化系数数值的示意图；

图5为本发明所述的用于确定光学材料激光辐照老化寿命的加速实验方法中，激光辐照吸收老化系数随能量密度变化曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，用于确定光学材料激光辐照老化寿命的加速实验方法，该方法由以下步骤实现：

本实施方式中，更确切地说，是激光辐照吸收老化系数的确定，过程如下：

第一步：将材料加工成符合激光量热吸收测试所需的形状及尺寸；

这一步骤是为准确获得材料的激光辐照吸收老化值ΔA而设定的。为获得ΔA的准确数值，需要采用激光量热法对样品的吸收率进行测试。激光量热法基于光热转化原理，在激光辐照过程中，通过测量样品因激光辐射而产生的温度变化曲线，从而获得激光被样品吸收的百分比。由于该方法对吸收率的计算通过对升温降温曲线的拟合获得，而拟合过程建立在对圆形薄样品的传热方程基础上。为确保拟合方法的有效性，对样品的形状、尺寸必须具有严格的限制。根据ISO11551国际标准，为准确测量材料的吸收率，在激光量热法中对样品的形状与尺寸有明确的要求，需选择直径25mm、厚1mm的样品。

第二步，将样品表面进行抛光处理；

这一步骤也是为准确获得材料的激光辐照吸收老化值ΔA而设定的。当进行样品吸收测试时，激光光束需垂直入射到样品表面，如图1所示。如果样品表面未抛光，则会产生由于表面粗糙结构引起的表面吸收，成为影响材料吸收测试的一项误差源。为消除表面吸收所引起的误差，获得材料本身的吸收率，需要对样品进行双面抛光处理。

第三步：对材料进行预辐照以释放激光辐照的剂量效应；

在激光辐照条件下，尤其是在波长为248nm的KrF准分子激光或工作波长为193nm的ArF准分子激光对材料的辐照过程中，由于光子能量较高，会导致色心的形成和消除这两种互逆的竞争过程。色心的形成导致吸收增加，而色心的消除则使吸收降低，这两种过程在经过一段时间的激光辐照后达到动态平衡，具体表现在吸收率的测量数值随时间逐渐收敛到固定值，如图2所示。这一平衡需要在经过一定激光辐照时间，或达到一定激光辐照剂量后才能实现，被称为激光辐照剂量效应的释放过程。对材料进行预辐照的目的在于释放其激光辐照剂量效应，获得真实的材料吸收率测量结果。

第四步：对材料进行激光辐照，获得不同能量密度下的激光辐照吸收老化系数；

在本实施方式中，在固定辐照能量密度H下的吸收老化系数k(H)通过对样品进行连续辐照测试，计算测试样品的激光辐照加速比R(H₁：H₀)，用公式(1)R(H₁:H₀)＝k(H₁)/k(H₀)；式中，H₁、H₀为测试样品的不同辐照能量密度，

并对测试结果应用公式(3)获得。具体做法为在连续进行的激光辐照过程中，记录吸收率A随辐照剂量Φ的变化曲线，对该曲线进行线性拟合，所得到的斜率即为激光辐照吸收老化系数k(H)。对于实际测试过程中所需获得的不同辐照密度下的激光辐照吸收老化系数，均采用上述方法逐一获得。

第五步：利用不同能量密度下材料的激光辐照吸收老化系数，拟合出材料随能量密度变化的吸收老化加速比曲线；

利用第四步中获得的各能量密度下的吸收老化系数，画出激光辐照吸收老化系数随能量密度变化曲线，对两者的函数关系进行多项式拟合。

第六步：按照实际应用中的工况条件，利用吸收老化加速比曲线，计算激光辐照实验所需持续的时间；

利用吸收老化加速比曲线，确定在提高激光辐照密度，进行加速实验的情况下，为获得相同的吸收老化值ΔA时，所需采取的激光加速辐照时间。具体计算公式为

这样，在加速实验所采用的功率密度及辐照时间都已经确定的情况下，就可以对待测材料的激光辐照老化寿命进行加速评估。

本实施方式中，当测试样品处于长时间的激光辐照时，其吸收率A会产生不可逆的变化，变化值ΔA由辐照能量密度H和辐照剂量Φ决定，在经过单位辐照剂量Φ_U(单位为kJ/cm²)的激光辐照后，吸收老化系数为：

ΔA_U＝ΔA(Φ_U@H)＝k(H)×Φ_U (3)

因此，只要给定激光辐照能量密度，就可利用公式(3)确定系数k(H)。由于k(H)的物理意义是每经过单位辐照剂量Φ_U的激光辐照后吸收率A的变化量ΔA_U，因此可以在对样品的连续激光辐照过程中，利用辐照剂量Φ和吸收率A的关系就可拟合出k(H)的数值。具体来说，以Φ为自变量、以A为因变量进行线性拟合，得到的斜率即为k(H)。

进一步，在k(H)已知的基础上，对于两个不同的能量密度值H₁和H₀，由公式(3)可知：

R(H₁:H₀)＝ΔA(Φ_U@H₁)/ΔA(Φ_U@H₀)＝k(H₁)/k(H₀) (4)

这样就获得了激光辐照的吸收老化加速比。将吸收老化加速比带入公式(2)，就可得到在两种能量密度下，为获得相同的吸收老化值所需采用的辐照时间比值，从而实现对材料在激光辐照条件下使用寿命的合理评估。

具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的用于确定光学材料激光辐照老化寿命的加速实验方法的具体实施例：

现以熔石英材料为例，说明在波长为193nm的ArF脉冲激光辐照条件下，吸收老化加速比曲线以及老化寿命加速实验所需时间的确定过程。

第一步：

将熔石英材料切割成直径为25mm、厚度为1mm的样品。

第二步：

对样品表面进行双面抛光处理。

第三步：

将样品放入激光量热仪，按照ISO11551的测量方法，在5mJ/cm²/pulse的能量密度、1kHz的重复频率下对样品进行激光辐照，对样品的吸收率进行连续记录，当连续两次测量结果的差值小于0.01％时，为释放剂量效应而进行的预辐照过程结束，如图2所示。

第四步：

在测量能量密度为5mJ/cm²/pulse～40mJ/cm²/pulse范围内选取若干点的激光辐照吸收老化系数。以37mJ/cm²/pulse为例，在1kHz的重复频率下对样品进行连续辐照，连续进行3次测试，对样品的吸收率随能量密度的变化进行线性拟合，结果如图3所示。通过上述方法，测出各辐照能量密度下的吸收老化系数数值。

第五步：

利用第四步中获得的各能量密度下的吸收老化系数，计算激光辐照加速比R(H₁：H₀)。具体做法如下：首先画出激光辐照吸收老化系数随能量密度的变化曲线，并对两者的函数关系进行多项式拟合，如图4所示；然后对图4中的结果按照5mJ/cm²/pulse的数值进行归一化处理，得到吸收老化加速比随辐照能量密度变化的关系曲线，结果如图5所示。

第六步：

对样品的激光辐照老化寿命进行计算。在实验中，样品如进行正常的老化实验，需在5mJ/cm²/pulse的能量密度下承受10¹¹个激光脉冲。按照1kHz的激光重复频率计算，即使每天24小时连续辐照，总辐照时间也需超过3年(1157.4天)才能完成老化实验。毫无疑问，在绝大多数情况下，如此慢长的老化实验基本不具可行性，材料的激光辐照寿命评估必须通过加速辐照进行。

当激光辐照功率密度提高时，需要采用的辐照时间可利用第五步中获得的吸收老化加速比曲线进行计算。以5mJ/cm²/pulse为基准，50mJ/cm²/pulse对其吸收老化加速比为17.6倍。如再考虑到二者的辐照功率密度比值为10倍，按照公式(2)式可得到，在50mJ/cm²/pulse的辐照密度下，实现10¹¹个5mJ/cm²/pulse的激光脉冲等效剂量的时间变为原来的1/(10×17.6)倍，即6.58天。与通常所采用的基于工况条件、能量密度较低的长期激光辐照老化实验方法相比，采用本方法可在相对较短的时间内，通过提高辐照能量密度实现激光辐照老化寿命的合理加速评估，从而达到了节省评估时间及人力、物力等资源的目的。

Claims (3)

1.用于确定光学材料激光辐照老化寿命的加速实验方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、对光学材料进行加工，获得符合要求的测试样品，然后对所述测试样品进行双表面抛光处理；

步骤二、对步骤一进行抛光处理后的测试样品进行预辐照测试，完成对测试样品的激光辐照剂量效应的释放；

步骤三、对测试样品进行激光辐照，获得不同能量密度下的激光辐照吸收老化系数k(H)；H为固定激光辐照能量密度，根据所述激光辐照吸收老化系数k(H)计算测试样品的激光辐照加速比R(H₁：H₀)，用公式表示为：

R(H₁:H₀)＝k(H₁)/k(H₀)

式中，H₁、H₀为测试样品的不同辐照能量密度，

并根据所述激光辐照吸收老化系数k(H)，拟合出测试样品随能量密度变化的吸收老化加速比曲线，实现对测试样品激光辐照老化寿命的测试；

步骤三中，还包括根据吸收老化加速比曲线，计算对测试样品激光加速辐照实验所需的时间；

具体为：利用吸收老化加速比曲线，确定激光辐照密度为H₁时进行加速实验，为获得相同的吸收老化值ΔA时，所需的激光加速辐照时间t₁，即t₁用公式表示为：

$t_1=t_0\×\frac{H_0}{H_1}\×\frac{1}{R(H_1:H_0)}$

式中t₀为在辐照能量密度为H₀的条件下，进行激光辐照吸收老化实验的时间；t₁为在辐照能量密度为H₁的条件下，进行加速激光辐照吸收老化实验的时间。

2.根据权利要求1所述的用于确定光学材料激光辐照老化寿命的加速实验方法，其特征在于，步骤二的具体过程为：在固定激光辐照能量密度为H时，对测试样品进行连续的预辐照测试，直到测试结果收敛到连续两次测量结果的差值小于0.01％时，完成材料激光辐照剂量效应的释放。

3.根据权利要求1所述的用于确定光学材料激光辐照老化寿命的加速实验方法，其特征在于，步骤三中对测试样品进行激光辐照，获得不同能量密度下的激光辐照吸收老化系数k(H)的具体过程为：根据设定的固定激光照射能量密度H，对测试样品进行连续辐照测试，并记录吸收率A随辐照剂量Φ的变化曲线，对该曲线进行线性拟合，获得的斜率即为激光辐照吸收老化系数k(H)。