CN108238725A - 一种基于惰性离子注入法提升熔石英损伤阈值的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于惰性离子注入法提升熔石英损伤阈值的方法，具体操作流程为：用去离子水冲洗光学抛光后的熔石英元件，然后将元件放入无水乙醇中进行超声清洗；元件清洗完成后，用HF‑NH4F缓冲溶液对其进行刻蚀处理，再先后用去离子水和无水乙醇清洗刻蚀后的元件；最后用能量为10keV～50keV的含能惰性离子束对元件进行离子注入处理，注量为1×1016ions/cm2～5×1017ions/cm2。采用本发明的方法，可有效解决常规方法很难在熔石英表面形成压应力层的技术问题，以进一步提升元件的激光损伤阈值。

Description

一种基于惰性离子注入法提升熔石英损伤阈值的方法
技术领域
本发明属于光学元件制造技术领域，具体涉及一种基于惰性离子注入法提升熔石英损伤阈值的方法。
背景技术
熔石英材料硬度高，热膨胀系数低，耐高温，化学稳定性好，透紫外-可见-红外光，具有良好的热学、光学和机械性能，是强激光光学元件的首选材料，广泛应用于大型高功率激光系统用于制作紫外光学元件，如屏蔽片、取样光栅、聚焦透镜等。但是在高通量紫外激光辐照下，熔石英元件易于损伤，且在后续脉冲激光作用下呈指数增长，这严重的影响了光学元件的性能和使用寿命。熔石英元件的抗激光损伤能力，尤其是三倍频紫外激光作用下的负载能力，在很大程度上决定了激光装置的负载能力。因此，提升熔石英元件的抗激光性能，延长其使用寿命，可降低装置的运行成本，具有重要的经济意义。
目前，提升熔石英元件抗激光损伤强度的方法主要包括磁流变抛光、氢氟酸刻蚀、离子束刻蚀、激光预处理、二氧化碳激光修复等，虽然这些方法能够有效的提升熔石英元件的激光损伤阈值，但是主要是针对表面抛光沉积层和杂质的去除、亚表面缺陷的钝化或去除、表面损伤点的修复，很少有人从力学的角度来改善熔石英元件的抗激光损伤性能，在元件表面施加压应力，抑制微缺陷的扩展，提升机械性能，强化表面，可以进一步提升元件的激光损伤阈值，最大限度的延长熔石英元件的使用寿命。
目前国内外报道中，在玻璃表面加载压应力的方法分为化学增强法和物理增强法。化学增强法主要表现为离子交换增强法，将玻璃浸入到熔融盐当中，离子扩散发生交换，形成离子交换层，由于挤塞或热膨胀系数的差异促使表面形成压应力，以提高玻璃的强度，但是熔石英具有高纯度化学组分，没有可替代的小离子，因此，离子交换法很难在熔石英表面形成压应力。物理方法主要包括镀膜法、表面熔融强化、表面淬火及施加机械外力等。镀膜法能够在玻璃表面涂覆一层低膨胀系数的材料，从而产生压应力增强表面，但是引入了其他组分的材料，相当于在熔石英元件中引入了杂质，对光具有较强的吸收，将降低元件的激光损伤阈值；表面熔融强化是通过加热元件表面层或涂覆在元件表面的材料熔化，或将融化了的材料熔覆在元件表面，随后冷却凝固成表面强化层，由于熔石英的热膨胀系数较低，此外，只能在熔石英元件表面熔覆SiO2材质，但是SiO2膜或SiO2纳米粉的熔点远低于体材料，因此，不能够将其同熔石英熔融结合形成强化层；表面淬火是将玻璃加热至应变温度以上，保持一定时间，然后快速冷却以获得压应力层，同样由于熔石英具有较低的热膨胀系数，很难形成强化层；施加机械外力虽然能够在熔石英元件表面产生压应力层，但是对于大口径的光学元件的精密装校带来了很大困难，也影响元件的在线使用。
高功率激光装置中使用的熔石英元件具有高纯的化学组分，较低的热膨胀系数，通常大多数方法不易或不宜在其表面形成压应力层，因此，需要寻找一种能够在熔石英元件表面形成稳定压应力，抑制微缺陷的扩展，提升表面的力学性能，从而有效的提升熔石英元件的损伤阈值。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种基于惰性离子注入法提升熔石英损伤阈值的方法，以解决常规方法很难在熔石英表面形成压应力层的技术问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种基于惰性离子注入法提升熔石英损伤阈值的方法，包括以下步骤：
(1)元件前处理：将熔石英元件超声清洗后，放入HF-NH4F缓冲溶液中进行刻蚀处理，刻蚀时间5～15min；
(2)二次清洗：先用去离子水清洗刻蚀后的熔石英元件，再将其放入无水乙醇中进行脱水处理；
(3)惰性离子注入：用含能惰性离子束对经过步骤(2)处理后的熔石英元件进行离子注入；离子注入能量为10keV～50keV，注量为1×1016ions/cm2～5×1017ions/cm2。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，步骤(1)中超声清洗的具体方法为：将熔石英元件先后放入去离子水和无水乙醇中进行超声清洗，超声频率40～100kHz，清洗时间分别为10～30min；HF-NH4F缓冲溶液中，HF的质量分数为1wt％～10wt％，NH4F的质量分数为10wt％～30wt％，余量为水。
进一步，步骤(4)中惰性离子注入能量为30keV，注量为5×1016ions/cm2。
进一步，惰性离子为氦、氖、氩、氪或氙。
进一步，步骤(4)离子注入过程中，离子注入机腔室真空度优于2×10-3Pa，惰性离子束流密度为10μA/cm2～100μA/cm2。
本发明的有益效果是：
1.采用离子注入法，可以将离子注入到元件表面，由于注入离子的挤压作用，元件表面产生微缺陷并形成致密化层，致密化层产生压应力，大幅度提升元件表面损伤阈值。相较于其他方法，有效的解决了熔石英热膨胀系数低而导致的不能在熔石英元件表面形成压应力的问题。
2.本发明采用惰性离子注入到熔石英表面，惰性离子不与基体元素结合形成化合物，避免引入杂质离子而对光产生吸收，元件光学性能不会受到影响。
3.通过控制注入离子能量、注量及离子种类，可以调控形成压应力的大小及分布深度，形成压应力方便有效，可抑制微缺陷的扩展，提升元件表面力学性能，提升元件的激光损伤阈值，延长其使用寿命。
4.离子注入时，将离子注入机腔室真空度控制在2×10-3Pa以下，惰性离子束流密度为控制在10μA/cm2～100μA/cm2范围内，能够有效避免腔室及溅射沉积的污染，维持一个洁净的工作环境，提高注入效果。
5.本发明的方法可以在其他加工方式或后处理过后进行，可以进一步提升元件的激光损伤阈值。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2、3、4样品离子注入前后的载荷-位移曲线。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
样品A组：光学抛光的熔石英元件尺寸为30mm×30mm×4mm，依次采用去离子水、无水乙醇对前期加工的熔石英元件表面进行超声清洗，超声频率40kHz，超声清洗时间分别为15min，去除元件表面的油渍、粉体等污染物；然后采用质量分数为1％HF+30％NH4F+69％H2O的氢氟酸缓冲液对元件刻蚀处理10min，以去除元件表面的抛光沉积层，初步钝化表面及亚表面缺陷；采用去离子水喷淋清洗3min，以避免反应产物沉积物沉积在熔石英元件表面，然后采用无水乙醇对元件进行脱水处理备用。
样品B组：在样品A组的基础上，采用离子注入机将氩离子注入到熔石英表面，控制离子能量为10keV，离子注量为5×1016ions/cm2。
样品C组：与样品B组处理相同，所不同之处在于离子能量为30keV。
样品D组：与样品B组处理相同，所不同之处在于离子能量为50keV。
进行离子注入时，离子注入机腔室真空度优于2×10-3Pa，此处所说的优于表示控制真空度在2×10-3Pa以下；并在进行离子注入时控制惰性离子束流密度为10μA/cm2～100μA/cm2。
结果分析
试验结果如图2所示，图中给出了样品A组、B组、C组及D组的载荷-位移曲线。其中样品A组为未经离子注入的熔石英样品，样品B组、C组及D组分别为在注量5×1016ions/cm2下，10keV、30keV、50keV的氩离子注入后的熔石英样品。相较于未经离子注入熔石英元件表面的载荷-位移曲线向左偏移，结果表明离子注入后元件表面形成了压应力。
采用白光干涉仪、纳米压痕仪及波长为355nm的Nd:YAG激光器对各实验组分别进行表面粗糙度、硬度及R:1激光损伤阈值测试，结果如表1所示。
表1各实验组所得样品的性能分析
粗糙度/nm 硬度/Gpa 损伤阈值/J/cm2
样品A组 1.245 9.588 12.67
样品B组 0.913 9.776 17.28
样品C组 0.975 10.024 15.57
样品D组 1.005 10.476 14.44
熔石英元件经前期抛光、研磨等加工过程后，表面存在抛光沉积层，离子注入增强再沉积层意义不大。样品A组未经离子注入处理，但是有氢氟酸缓冲液刻蚀环节，目的是为了去除元件表面抛光沉积层、初步钝化元件表面及亚表面缺陷，因此能够有效的避免离子注入的同时溅射效应的影响，使离子注入强化表面成为提升元件激光损伤阈值的主要因素，同时能够有效的同样品B组、C组、D组形成对照。比较可知，离子注入后，在元件表面约200nm范围内，硬度得到了提升，由于离子注入同时溅射效应和离子挤压作用使得表面粗糙度略微减小，激光损伤阈值能够有效的提升。结果表明，氩离子注入在熔石英元件表面形成了压应力层，抑制微缺陷扩展，强化表面，有效的提升了元件的激光损伤阈值和延长元件的使用寿命。
实施例二
样品E组：光学抛光的熔石英元件尺寸为30mm×30mm×4mm，依次采用去离子水、无水乙醇对前期加工的熔石英元件表面进行超声清洗，超声频率80kHz，超声清洗时间各分别为10min，去除元件表面的油渍、粉体等污染物；然后采用质量分数为10％HF+15％NH4F+75％H2O的氢氟酸缓冲液对元件刻蚀处理10min，以去除元件表面的抛光沉积层，初步钝化表面及亚表面缺陷；采用去离子水喷淋清洗5min，以避免反应产物沉积物沉积在熔石英元件表面，然后采用无水乙醇对元件进行脱水处理备用。
样品F组：在样品E组的基础上，采用离子注入机将氩离子注入到熔石英表面，控制离子能量为10keV，离子注量为1×1016ions/cm2。
样品G组：与样品E组处理相同，所不同之处在于离子注量为1×1017ions/cm2。
结果分析
试验结果如图3所示，图中给出了样品E组、F组、G组的载荷-位移曲线。其中样品E组为未经离子注入的熔石英样品，样品F组及G组为离子能量10keV下，注量分别为1×1016ions/cm2及1×1017ions/cm2氩离子注入后的熔石英样品。相较于未经离子注入熔石英元件表面的载荷-位移曲线向左偏移，结果表明离子注入后元件表面形成了压应力。
对各实验组的样品采用白光干涉仪、纳米压痕仪及波长为355nm的Nd:YAG激光器分别测试表面粗糙度、硬度及R:1激光损伤阈值，结果列于表2当中。
表2各实验组所得样品性能分析
粗糙度/nm 硬度/Gpa 损伤阈值/J/cm2
样品E组 1.084 9.097 15.13
样品F组 1.018 9.784 18.16
样品G组 0.953 9.850 19.33
样品E组未经离子注入处理，表面硬度及激光损伤阈值较低。同样品F组及G组比较可知，离子注入的挤压作用及溅射效应导致元件表面粗糙度略微减小，不同注量的氩离子注入能够在元件表面施加压应力，提升元件表面硬度，强化表面，提升元件的抗激光损伤性能。
实施例三
样品H组：光学抛光的熔石英元件尺寸为30mm×30mm×4mm，依次采用去离子水、无水乙醇对前期加工的熔石英元件表面进行超声清洗，超声频率100kHz，超声清洗时间分别为10分钟，去除元件表面的油渍、粉体等污染物；然后采用质量分数为5％HF+20％NH4F+75％H2O的氢氟酸缓冲液对元件刻蚀处理5min，以去除元件表面的抛光沉积层，初步钝化表面及亚表面缺陷；采用去离子水喷淋清洗10min，以避免反应产物沉积物沉积在熔石英元件表面，然后采用无水乙醇对元件进行脱水处理。
样品I组：在样品H组的基础上，采用离子注入机将氩离子注入到熔石英表面，控制离子能量为20keV，离子注量为5×1016ions/cm2。
样品J组：与样品H组处理相同，所不同之处在于注入的离子为氦离子。
结果分析
试验结果如图4所示，图中给出了样品H组、I组及J组的载荷-位移曲线。其中样品H组为未经离子注入的熔石英样品，样品I组及J组分别为5×1016ions/cm2、20keV氩离子及氦离子注入后的熔石英样品，相较于未经离子注入熔石英元件表面的载荷-位移曲线向左偏移，结果表明不同种类离子注入后元件表面形成了压应力。
采用白光干涉仪、纳米压痕仪及波长为355nm的Nd:YAG激光器对元件表面分别进行表面粗糙度、表面硬度及R:1激光损伤阈值测试，结果列于表3当中。
表3各实验组所得样品性能分析
粗糙度/nm 硬度/Gpa 损伤阈值/J/cm2
样品H组 1.198 9.473 12.49
样品I组 0.942 9.976 15.28
样品J组 1.088 10.003 14.61
样品H组未经离子注入处理，表面硬度和激光损伤阈值较低。同样品I组及J组比较可知，离子注入的挤压作用及溅射效应导致元件表面粗糙度略微减小，惰性离子注入可以在熔石英元件表面形成压应力层，抑制微缺陷的扩展，提升表面硬度，强化表面，提升元件的抗激光损伤性能。
虽然对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于惰性离子注入法提升熔石英损伤阈值的方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)元件前处理：将熔石英元件超声清洗后，放入HF-NH4F缓冲溶液中进行刻蚀处理，刻蚀时间5～15min；
(2)二次清洗：先用去离子水清洗刻蚀后的熔石英元件，再将其放入无水乙醇中进行脱水处理；
(3)惰性离子注入：用含能惰性离子束对经过步骤(2)处理后的熔石英元件进行离子注入；离子注入能量为10keV～50keV，注量为1×1016ions/cm2～5×1017ions/cm2。
2.根据权利要求1所述的基于惰性离子注入法提升熔石英损伤阈值的方法，其特征是：步骤(1)中超声清洗的具体方法为：将熔石英元件先后放入去离子水和无水乙醇中进行超声清洗，超声频率40～100kHz，清洗时间分别为10～30min；所述HF-NH4F缓冲溶液中，HF的质量分数为1wt％～10wt％，NH4F的质量分数为10wt％～30wt％，余量为水。
3.根据权利要求1所述的基于惰性离子注入法提升熔石英损伤阈值的方法，其特征是：步骤(4)中惰性离子注入能量为30keV，注量为5×1016ions/cm2。
4.根据权利要求1或3所述的基于惰性离子注入法提升熔石英损伤阈值的方法，其特征是：所述惰性离子为氦、氖、氩、氪或氙。
5.根据权利要求1所述的基于惰性离子注入法提升熔石英损伤阈值的方法，其特征是：步骤(4)离子注入过程中，离子注入机腔室真空度优于2×10-3Pa，惰性离子束流密度为10μA/cm2～100μA/cm2。
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