CN106908867A - 一种基于激光冲击波的薄膜元件光学性能后处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于激光冲击波的薄膜元件光学性能后处理方法，以未进行激光冲击波后处理时升温过程中薄膜元件透过率的变化特性T0的为基准，分别获得E0、Em和ΔE对S次激光冲击波处理后样品升温过程中薄膜元件透过率的变化特性TS的影响规律；根据TS的提升情况，对初始激光能量E0、能量递增梯度ΔE和最大激光能量Em进行优化，当薄膜元件透过率的变化特性曲线随温度的改变不再发生变化，且对应波长的透过率或反射率满足被测样品的要求时，停止循环，完成薄膜元件光学性能后处理。本发明实现了对高功率光学薄膜元件光学性能尤其是稳定性的改善，结合实时在线调整后处理工艺参数，解决了低堆积密度薄膜的光学性能易受环境影响的难题。
Description
技术领域
本发明属于光学薄膜元件后处理技术领域，具体涉及一种利用激光冲击波技术提高光学薄膜元件光学性能的后处理方法。
背景技术
现代高功率激光技术的发展，特别是大口径系统的发展，对光学薄膜元件性能提出了越来越苛刻的要求，要求其具有高光性精度、高损伤阈值和高精度面形控制，将直接影响到大口径精密光学系统的功能实现和系统长时间运行的稳定性。影响光学薄膜各方面性能的因素有很多，包括薄膜自身特性、薄膜制备工艺以及激光参数等。
光学薄膜元件是在光学玻璃基底上交替沉积高、低折射率材料形成的低维材料，是厚度介于单原子层至数十微米之间的固体薄层。在高激光损伤阈值薄膜研究领域，最常用的电子束蒸发技术存在的最大缺点，即沉积的薄膜堆积密度较低，只有固体材料的80％-95％，折射率也相对较低，容易吸附参与气体和水汽，因此，光学吸收较大，稳定性不好，对工作环境要求高。当外界环境变化时，薄膜极易吸湿，光学性能发生变化，典型的就是光谱漂移，进而影响系统运行稳定性。现阶段纯粹依赖改进制备工艺、优化膜系设计、发展新型镀膜材料等手段改进光性精度和稳定性的代价是高昂的，为了进一步提高薄膜元件的性能，国内外的研究人员提出了后处理技术。
各种后处理技术，采用不同的工艺参数、后处理方式，针对不同的膜系材料和结构，可以获得不同方面的薄膜性能改善。目前常用的后处理手段包括：离子后处理、热处理和激光预处理。离子后处理，是薄膜在制备完成后，采用低能离子对其进行轰击以清除薄膜表面原有或粘附的结合较弱的表面显微缺陷，提高薄膜损伤阈值。目前工艺最成熟，效果最佳的激光预处理是通过激光辐照去除多层介质膜中低阈值的节瘤缺陷来提高薄膜的抗激光损伤能力。热处理也就是退火，目前主要应用在释放薄膜残余应力和改善面形等方面；其通过对光学薄膜表面形貌、微结构的影响，可以一定程度上使薄膜表面堆积密度变大，提高光学稳定性，但是可重复性差，对不同材料、不同镀膜参数、不同类型的薄膜元件需要的热处理工艺参数也不同，改善程度同样不同，故实际应用中存在难以控制等问题。
激光冲击波强化技术是纳秒脉冲激光在工程中最重要的应用领域，尤其是金属合金材料的表面强化处理领域。激光冲击波技术相对于激光直接辐照样品而言，其在样品表面又覆盖了一层吸收层和一层约束层。这样当激光辐照样品时，覆盖在样品表面的吸收层吸收激光能量发生等离子爆炸，等离子体受到约束层的约束作用产生了高压冲击波即激光等离子体冲击波，该冲击波透过吸收层向样品内部传播。在此过程中，吸收层除了用来吸收激光能量外，还可以防止样品不会被高能激光灼伤，由于受到吸收层的保护，对被处理样品是纯机械力行为，工件仅仅受到等离子体爆炸产生的冲击力。目前激光冲击波技术在多个领域得到了广泛应用，包括激光冲击波强化、激光层裂法检测涂层结合强度、激光冲击植入等。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于激光冲击波的薄膜元件光学性能后处理方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于激光冲击波的薄膜元件光学性能后处理方法，包括如下步骤：
(1)镀制光学薄膜元件，利用带有原位反应池的红外傅立叶光谱仪实时测量薄膜元件在升温过程中的原位红外光谱，获得由于升温过程中的退吸附引起的薄膜元件透过率的变化特性T0；
(2)设定用于激光冲击波处理的泵浦激光器的初始入射激光能量E0、最大入射激光能量Em和激光能量递增梯度ΔE，并固定光斑尺寸、搭接率及扫描区域；要求E0和Em小于激光冲击波作用时使薄膜元件不发生破坏的最大激光能量；并标记S为小于等于(Em-E0)/ΔE的最大整数；令i＝1；
(3)令实际入射激光能量E＝E0+ΔE*i；
(4)在薄膜元件膜面粘贴吸收层，吸收层的厚度为80μm～160μm，同时保证吸收层的厚度波动小于10nm，面积覆盖整个样品表面；之后在吸收层的表面放置约束层，形成被测样品；
(5)将被测样品放置在电动平移台上，保证同一样品每次放置的位置都相同；
(6)通过电动平移台控制被测样品进行二维移动，同时使在线显微镜始终对准泵浦激光辐照被测样品的位置，用以实时检测后处理过程中被测样品、吸收层和约束层的状态；
(7)采用光栅扫描方式对样品进行一次激光冲击波扫描处理，使得薄膜元件表面微结构发生变化；
(8)去除被测样品表面残留的吸收层和约束层，并对被测样品进行喷淋和超声清洗；
(9)再次利用带有原位反应池的红外傅立叶光谱仪，测试被测样品升温过程中薄膜元件透过率的变化特性Ti；
(10)令i＝i+1；判断i是否小于等于S，若是转入步骤(3)；若否，进入步骤(11)；
(11)通过被测样品相同区域在泵浦激光器不同能量下的辐照，完成了对该测试样品多个能量梯度的激光冲击波后处理，获得了经S次激光冲击波后处理后的薄膜元件透过率的变化特性T1～TS；
(12)改变初始入射激光能量E0、最大入射激光能量Em和激光能量递增梯度ΔE，重复步骤(2)～(11)；以未进行激光冲击波后处理时升温过程中薄膜元件透过率的变化特性T0的为基准，分别获得E0、Em和ΔE对S次激光冲击波处理后样品升温过程中薄膜元件透过率的变化特性TS的影响规律；根据TS的提升情况，对初始激光能量E0、能量递增梯度ΔE和最大激光能量Em进行优化，当薄膜元件透过率的变化特性曲线随温度的改变不再发生变化，且对应波长的透过率或反射率满足被测样品的要求时，停止循环，完成薄膜元件光学性能后处理。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明所述的基于激光冲击波的薄膜元件光学性能后处理方法实现了对高功率光学薄膜元件光学性能尤其是稳定性的改善，结合实时在线调整后处理工艺参数，解决了低堆积密度薄膜的光学性能易受环境影响的难题。本发明可以根据薄膜元件光学性能稳定性需求和评判标准，实时调整扫描次数和激光能量台阶等工艺参数，直至满足加工要求为止。
2、本发明所述的基于激光冲击波的薄膜元件光学性能后处理方法对光学薄膜元件类型、材料、薄膜沉积参数没有限制，如减反膜、高反膜和偏振膜等均可兼容。
3、本发明不受光学元件尺寸限制，对大口径光学薄膜元件同样适用，这对大口径精密光学系统的功能实现和系统长时间运行的稳定性提供了保证，解决了光学系统向高能量、高精度方向发展的“瓶颈”之一。
4、相比于传统的热处理方法存在难以完全改善光学性能稳定性，可控性差、重复性低、工艺参数不兼容等问题，本发明所述的激光冲击波后处理方法精度大大提高，灵活可控性大大提升。
5、本发明所述的后处理方法完成后，可以立刻在线检测，实时获得升温过程中薄膜原位红外光谱，用于检测评估薄膜元件的水吸收和光学性能稳定性是否达标。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
(1)采用电子束蒸发镀制大小为φ50×5mm的1064nm高反膜，利用带有原位反应池的红外傅立叶光谱仪实时测量薄膜元件在升温过程中的原位红外光谱，获得由于升温过程中的退吸附引起的光学薄膜元件透过率的变化特性T0；
(2)设定用于激光冲击波处理的泵浦激光器的初始入射激光能量E0、最大入射激光能量Em和激光能量递增梯度ΔE，选用光斑尺寸为2mm、搭接率为90％、扫描区域大小为10×10mm；要求E0和Em小于激光冲击波作用时使薄膜元件不发生破坏的最大激光能量；并标记S为小于等于(Em-E0)/ΔE的最大整数；令i＝1；
(3)令实际入射激光能量E＝E0+ΔE*i；
(4)在薄膜元件膜面粘贴吸收层，吸收层选用市场购买的以黑漆为材料的柔性贴膜，吸收层厚度为100μm，吸收层的厚度波动为8nm，面积覆盖整个样品表面；之后在吸收层的表面放置约束层，本实施例中选用去离子水为约束层，去离子水在吸收层表面上形成稳定的厚度为2.5mm的均匀水膜，从而形成被测样品；
(5)将被测样品放置在电动平移台上，同时要保证同一样品每次放置的位置都相同，从而使得每次后处理的区域均相同；
(6)通过电动平移台控制被测样品进行二维移动，同时使在线显微镜始终对准泵浦激光辐照被测样品的位置，用以实时检测后处理过程中被测样品、吸收层和约束层的状态；
(7)采用光栅扫描方式对样品进行一次激光冲击波扫描处理，使得薄膜元件表面微结构发生变化；
(8)去除被测样品表面残留的吸收层和约束层，并对被测样品进行喷淋和超声清洗；
(9)再次利用带有原位反应池的红外傅立叶光谱仪，测试被测样品升温过程中薄膜元件透过率的变化特性Ti；
(10)令i＝i+1；判断i是否小于等于S，若是转入步骤(3)；若否，进入步骤(11)；
(11)通过被测样品相同区域在泵浦激光器不同能量下的辐照，完成了对该测试样品多个能量梯度的激光冲击波后处理，获得了经S次激光冲击波后处理后的薄膜元件透过率的变化特性T1～TS；
(12)改变初始入射激光能量E0、最大入射激光能量Em和激光能量递增梯度ΔE，重复步骤(2)～(11)；以未进行激光冲击波后处理时升温过程中薄膜元件透过率的变化特性T0的为基准，分别获得E0、Em和ΔE对S次激光冲击波处理后样品升温过程中薄膜元件透过率的变化特性TS的影响规律；根据TS的提升情况，对初始激光能量E0、能量递增梯度ΔE和最大激光能量Em进行优化，当薄膜元件透过率的变化特性曲线随温度的改变不再发生变化，且对应波长的透过率或反射率满足被测样品的要求时，停止循环，完成薄膜元件光学性能后处理。
实施例2
(1)采用电子束蒸发镀制大小为φ30×3mm的532nm减反膜，利用带有原位反应池的红外傅立叶光谱仪实时测量薄膜元件在升温过程中的原位红外光谱，获得由于升温过程中的退吸附引起的光学薄膜元件透过率的变化特性T0；
(2)设定用于激光冲击波处理的泵浦激光器的初始入射激光能量E0、最大入射激光能量Em和激光能量递增梯度ΔE，选用光斑尺寸为1mm、搭接率为90％、扫描区域大小为10×10mm；要求E0和Em小于激光冲击波作用时使薄膜元件不发生破坏的最大激光能量；并标记S为小于等于(Em-E0)/ΔE的最大整数；令i＝1；
(3)令实际入射激光能量E＝E0+ΔE*i；
(4)在薄膜元件膜面粘贴吸收层，吸收层选用市场购买的以黑漆为材料的柔性贴膜，吸收层厚度为150μm，吸收层的厚度波动为8nm，面积覆盖整个样品表面；之后在吸收层的表面放置约束层，本实施例中选用去离子水为约束层，去离子水在吸收层表面上形成稳定的厚度为3mm的均匀水膜，从而形成被测样品；
(5)将被测样品放置在电动平移台上，同时要保证同一样品每次放置的位置都相同，从而使得每次后处理的区域均相同；
(6)通过电动平移台控制被测样品进行二维移动，同时使在线显微镜始终对准泵浦激光辐照被测样品的位置，用以实时检测后处理过程中被测样品、吸收层和约束层的状态；
(7)采用光栅扫描方式对样品进行一次激光冲击波扫描处理，使得薄膜元件表面微结构发生变化；
(8)去除被测样品表面残留的吸收层和约束层，并对被测样品进行喷淋和超声清洗；
(9)再次利用带有原位反应池的红外傅立叶光谱仪，测试被测样品升温过程中薄膜元件透过率的变化特性Ti；
(10)令i＝i+1；判断i是否小于等于S，若是转入步骤(3)；若否，进入步骤(11)；
(11)通过被测样品相同区域在泵浦激光器不同能量下的辐照，完成了对该测试样品多个能量梯度的激光冲击波后处理，获得了经S次激光冲击波后处理后的薄膜元件透过率的变化特性T1～TS；
(12)改变初始入射激光能量E0、最大入射激光能量Em和激光能量递增梯度ΔE，重复步骤(2)～(11)；以未进行激光冲击波后处理时升温过程中薄膜元件透过率的变化特性T0的为基准，分别获得E0、Em和ΔE对S次激光冲击波处理后样品升温过程中薄膜元件透过率的变化特性TS的影响规律；根据TS的提升情况，对初始激光能量E0、能量递增梯度ΔE和最大激光能量Em进行优化，当薄膜元件透过率的变化特性曲线随温度的改变不再发生变化，且对应波长的透过率或反射率满足被测样品的要求时，停止循环，完成薄膜元件光学性能后处理。
Claims (1)
1.一种基于激光冲击波的薄膜元件光学性能后处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)镀制光学薄膜元件，利用带有原位反应池的红外傅立叶光谱仪实时测量薄膜元件在升温过程中的原位红外光谱，获得由于升温过程中的退吸附引起的薄膜元件透过率的变化特性T0；
(2)设定用于激光冲击波处理的泵浦激光器的初始入射激光能量E0、最大入射激光能量Em和激光能量递增梯度ΔE，并固定光斑尺寸、搭接率及扫描区域；要求E0和Em小于激光冲击波作用时使薄膜元件不发生破坏的最大激光能量；并标记S为小于等于(Em-E0)/ΔE的最大整数；令i＝1；
(3)令实际入射激光能量E＝E0+ΔE*i；
(4)在薄膜元件膜面粘贴吸收层，吸收层的厚度为80μm～160μm，同时保证吸收层的厚度波动小于10nm，面积覆盖整个样品表面；之后在吸收层的表面放置约束层，形成被测样品；
(5)将被测样品放置在电动平移台上，保证同一样品每次放置的位置都相同；
(6)通过电动平移台控制被测样品进行二维移动，同时使在线显微镜始终对准泵浦激光辐照被测样品的位置，用以实时检测后处理过程中被测样品、吸收层和约束层的状态；
(7)采用光栅扫描方式对样品进行一次激光冲击波扫描处理，使得薄膜元件表面微结构发生变化；
(8)去除被测样品表面残留的吸收层和约束层，并对被测样品进行喷淋和超声清洗；
(9)再次利用带有原位反应池的红外傅立叶光谱仪，测试被测样品升温过程中薄膜元件透过率的变化特性Ti；
(10)令i＝i+1；判断i是否小于等于S，若是转入步骤(3)；若否，进入步骤(11)；
(11)通过被测样品相同区域在泵浦激光器不同能量下的辐照，完成了对该测试样品多个能量梯度的激光冲击波后处理，获得了经S次激光冲击波后处理后的薄膜元件透过率的变化特性T1～TS；
(12)改变初始入射激光能量E0、最大入射激光能量Em和激光能量递增梯度ΔE，重复步骤(2)～(11)；以未进行激光冲击波后处理时升温过程中薄膜元件透过率的变化特性T0的为基准，分别获得E0、Em和ΔE对S次激光冲击波处理后样品升温过程中薄膜元件透过率的变化特性TS的影响规律；根据TS的提升情况，对初始激光能量E0、能量递增梯度ΔE和最大激光能量Em进行优化，当薄膜元件透过率的变化特性曲线随温度的改变不再发生变化，且对应波长的透过率或反射率满足被测样品的要求时，停止循环，完成薄膜元件光学性能后处理。
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