CN106531627A - Nd:YAG晶体及其表面抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Nd:YAG晶体及其表面抛光方法。本发明提供的Nd:YAG晶体表面抛光方法,包括步骤:步骤S1、对Nd:YAG晶体表面进行超声波清洗,烘干,去除所述Nd:YAG晶体表面的杂质;步骤S2、在真空中利用低能离子束对步骤S1所得样品溅射刻蚀,控制低能离子束在晶体表面以均匀的速度和等量步距进行扫描。该方法无机械抛光应力,抛光过程在真空中进行且不使用抛光粉等辅助材料,可有有效的减少表面微划痕、亚表面损伤等加工缺陷,改善表面粗糙度,提高表面质量,进而提高晶体在高能激光应用中的损伤阈值。
Description
技术领域
本发明涉及光学加工领域,具体涉及一种掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体及其表面抛光方法。
背景技术
掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体物理化学性能稳定,是重要的激光晶体之一,在高功率激光器中得到广泛的应用。在Nd:YAG晶体的应用中,往往需要将其加工成特定的形状,并且对其表面粗糙度和面形都有一定的要求。例如用于高功率板条激光器的板条Nd:YAG晶体元件,其表面加工精度直接影响激光器的光束输出质量,同时为了提高元件抗损伤能力,对其表面质量也有要求。针对YAG晶体材料的光学加工,目前已报道的加工方法多见于利用沥青、聚氨酯或纯锡等抛光模,选用金刚石或氧化铝微粉磨料进行手工抛光或机器抛光。2014年,谢瑞清等人提出基于合成盘抛光技术(板条Nd:YAG晶体的合成盘抛光技术[J].强激光与离子束,2014 26 1),在相应夹持工装的配合下,开展了Nd:YAG晶体的低透射波前加工技术(Nd:YAG晶体体板条低透射波前误差加工技术[J].强激光与离子束,2015 27 6)。
上述方法抛光过程均主要依靠磨料的机械作用去除晶体表面的材料,抛光过程中由于机械加工应力及抛光粉颗粒不均匀或聚集等因素,会不可避免的产生微划痕、亚表面损伤等加工缺陷。这些加工缺陷会明显降低晶体在高能激光应用中的损伤阈值。
发明内容
为了解决目前Nd:YAG晶体抛光过程中表面微划痕,亚表面损伤等加工缺陷问题,本发明提供了一种基于低能离子束物理刻蚀的Nd:YAG晶体表面抛光方法。
一方面,本发明提供一种Nd:YAG晶体表面抛光方法,所述抛光方法包括:S1、对Nd:YAG晶体表面进行超声波清洗,烘干,去除所述Nd:YAG晶体表面的杂质;S2、在真空中利用低能离子束对步骤S1所得样品溅射刻蚀,控制低能离子束在晶体表面以均匀的速度和等量步距进行扫描。
另一方面,本发明还提供了由本发明的抛光方法抛光得到的Nd:YAG晶体,所述Nd:YAG晶体的粗糙度为优于0.1nmRMS。
本发明的技术方案与现有技术相比,有益效果在于:本发明提供了一种基于低能离子束物理刻蚀的Nd:YAG晶体表面抛光方法,该方法无机械抛光应力,抛光过程在真空中进行且不使用抛光粉等辅助材料,可有有效的减少表面微划痕、亚表面损伤等加工缺陷,改善表面粗糙度,提高表面质量,进而提高晶体在高能激光应用中的损伤阈值。
附图说明
图1是根据本发明所述的一个实施例的Nd:YAG晶体表面抛光方法的示意图;
图2是根据本发明所述的实施例1的Nd:YAG晶体表面抛光方法中的板条状Nd:YAG晶体照片;
图3是根据本发明所述的实施例1的Nd:YAG晶体表面抛光方法中的栅格形路径规划示意图;
图4是根据本发明所述的实施例1的Nd:YAG晶体表面抛光方法抛光前的微观形貌测量结果;
图5是根据本发明所述的实施例1的Nd:YAG晶体表面抛光方法抛光后的晶体表面微观形貌测量结果。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开,下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然,它们仅仅为示例,并且目的不在于限制本发明。此外,本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明提供一个实施例的Nd:YAG晶体表面抛光方法,如图1所示,所抛光方法包括:
步骤S1、对Nd:YAG晶体表面进行超声波清洗,烘干,去除所述Nd:YAG晶体表面的杂质;
步骤S2、在真空中利用低能离子束对步骤S1所得样品溅射刻蚀,控制低能离子束在晶体表面以均匀的速度和等量步距进行扫描。
在具体实施中,所述低能离子束为中性氩离子束和/或中性氙离子束。
在具体实施中,所述步骤S1中的超声波清洗包括在依次在40kHz、50kHz、60kHz、80kHz的超声波频率下分别超声清洗3分钟。
在具体实施中,所述扫描速度为5mm/s-50mm/s,所述步距为0.2mm-1mm。
在具体实施中,所述步骤S2的扫描过程中,离子束入射角保持恒定,所述低能离子束入射角的角度范围为0-40度。
在具体实施中,所述扫描的路径为栅格形或螺旋形。
在具体实施中,所述低能离子束的离子能量为500eV-1500eV。
在具体实施中,所述烘干为酒精烘干。
本发明所述的Nd:YAG晶体表面抛光方法的技术原理可以具体地描述为:在真空中进行低能离子束物理溅射刻蚀抛光,依靠加速的中性氩离子轰击晶体表面,将离子动能转化为晶体表面原子能量,当原子能量大于束缚力时便从晶体表面溅射而出,从而实现材料去除。在所述低能离子束物理溅射刻蚀抛光过程中,控制离子束在晶体表面进行均匀扫描,所述均匀扫描是指以均匀的速度和等量步距扫描过晶体表面以保证晶体表面各个位置离子束溅射刻蚀抛光时间相同,所述步距为0.2mm-1mm,所述扫描速度为5mm/s-50mm/s。所述扫描过程中离子束入射角度(定义为离子束入射方向与晶体表面法向的夹角)保持恒定,所述入射角度范围为0-40度。所述扫描的路径根据工件形状可以是栅格形(适用于矩形元件)或者螺旋形(适用于圆形元件)。根据Nd:YAG晶体溅射阈值,所述离子能量为500eV至1500eV。
实施例1:
一种掺钕钇铝石榴石晶体表面抛光方法
对一块138mm×35mm×7mm的板条状Nd:YAG晶体(照片如图2所示)的138mm×35mm面进行抛光,包括以下步骤:
步骤S1、对机械抛光后的138mm×35mm×7mm的板条状掺钕钇铝石榴石晶体利用超声波清洗机进行超声波清洗、酒精烘干,去除晶体表面在机械抛光阶段残留的抛光粉以及其他如灰尘,油污,杂质等表面污染物。
步骤S2、在真空中采用低能离子束物理溅射刻蚀抛光原理对表面进行抛光,抛光控制离子束在晶体表面进行均匀扫描,扫描时采用栅格形路径(如图3所示),扫描步距0.5mm,扫描速度10mm/s。设定入射离子能量为1300eV。设定离子束入射角度为0度。
采用原子力显微镜对Nd:YAG晶体表面进行表面微观形貌测量,晶体表面微观形貌在机械抛光后本发明所述方法抛光前的微观形貌如图4所示,其粗糙度为0.12nmRMS,且表面明显可见微观划痕;晶体表面微观形貌经本发明所述方法抛光后的微观形貌图如图5所示,其粗糙度为0.08nmRMS,表面微观划痕状态得到有效改善。
实施例2:
一种掺钕钇铝石榴石晶体表面抛光方法
对一块φ25mm×2mm的片状Nd:YAG晶体的φ25mm面进行抛光,包括以下步骤:
步骤S1、对机械抛光后的φ25mm×2mm的片状掺钕钇铝石榴石晶体利用超声波清洗机进行超声波清洗、高纯氮气烘干,去除晶体表面在机械抛光阶段残留的抛光粉以及其他如灰尘,油污,杂质等表面污染物。
步骤S2、在真空中采用低能离子束物理溅射刻蚀抛光原理对表面进行抛光,抛光控制离子束在晶体表面进行均匀扫描,扫描时采用螺旋形路径,扫描步距1mm,扫描速度49mm/s。设定入射离子能量为1500eV。设定离子束入射角度为25度。
采用原子力显微镜对Nd:YAG晶体表面进行表面微观形貌测量,晶体表面微观形貌在机械抛光后本发明所述方法抛光前的微观形貌,其粗糙度为0.2nmRMS,且表面明显可见微观划痕;晶体表面微观形貌经本发明所述方法抛光后的微观形貌,其粗糙度为0.09nmRMS,表面微观划痕状态得到有效改善。
实施例3:
一种掺钕钇铝石榴石晶体表面抛光方法
对一块φ10mm×1mm的圆片状Nd:YAG晶体的φ10mm面进行抛光,包括以下步骤:
步骤S1、对机械抛光后的φ10mm×1mm的圆片状掺钕钇铝石榴石晶体利用超声波清洗机进行超声波清洗,酒精烘干,去除晶体表面在机械抛光阶段残留的抛光粉以及其他如灰尘,油污,杂质等表面污染物。
步骤S2、在真空中采用低能离子束物理溅射刻蚀抛光原理对表面进行抛光,抛光控制离子束在晶体表面进行均匀扫描,扫描时采用栅格形路径,扫描步距0.2mm,扫描速度5mm/s。设定入射离子能量为750eV。设定离子束入射角度为40度。
采用原子力显微镜对Nd:YAG晶体表面进行表面微观形貌测量,晶体表面微观形貌在机械抛光后本发明所述方法抛光前的微观形貌,其粗糙度为0.16nmRMS,且表面明显可见微观划痕;晶体表面微观形貌经本发明所述方法抛光后的微观形貌,其粗糙度为0.07nmRMS,表面微观划痕状态得到有效改善。
实施例1-3充分说明本发明的有益效果:本发明提供的抛光方法无机械抛光应力,抛光过程在真空中进行且不使用抛光粉等辅助材料,有效地减少表面微划痕、亚表面损伤等加工缺陷,改善了晶体表面粗糙度,提高了晶体表面质量,进而提高了晶体在高能激光应用中的损伤阈值。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (9)
1.一种Nd:YAG晶体表面抛光方法,其特征在于:所述抛光方法包括:
步骤S1、对Nd:YAG晶体表面进行超声波清洗,烘干,去除所述Nd:YAG晶体表面的杂质;
步骤S2、在真空中利用低能离子束对步骤S1所得样品溅射刻蚀,控制低能离子束在晶体表面以均匀的速度和等量步距进行扫描。
2.根据权利要求1所述的抛光方法,其特征在于,所述低能离子束为中性氩离子束和/或中性氙离子。
3.根据权利要求1所述的抛光方法,其特征在于,所述步骤S1中的超声波清洗包括依次在40kHz、50kHz、60kHz、80kHz的超声波频率下分别超声清洗3分钟。
4.根据权利要求1所述的抛光方法,其特征在于,所述扫描速度为5mm/s-50mm/s,所述步距为0.2mm-1mm。
5.根据权利要求1所述的抛光方法,其特征在于,所述步骤S2的扫描过程中,离子束入射角保持恒定,所述低能离子束入射角的角度范围为0-40度。
6.根据权利要求1所述的抛光方法,其特征在于,所述扫描的路径为栅格形或螺旋形。
7.根据权利要求1所述的抛光方法,其特征在于,所述低能离子束的离子能量为500eV-1500eV。
8.根据权利要求1所述的抛光方法,其特征在于,所述烘干为酒精烘干或高纯氮气烘干。
9.一种由权利要求1-8任一项所述的抛光方法抛光得到的Nd:YAG晶体,其特征在于,所述Nd:YAG晶体的粗糙度为优于0.1nmRMS。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170322 |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |