CN108687977B - 一种考虑光增强效应的光学晶体表面微缺陷修复方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑光增强效应的光学晶体表面微缺陷修复方法，涉及一种光学晶体表面微缺陷修复方法。本发明为了解决目前还未实现光学晶体表面微缺陷精密微铣削修复工艺定型的问题。本发明首先采用显微镜对光学晶体表面缺陷点形貌和尺寸进行检测，获得表面待修复缺陷点的横向尺寸和纵向尺寸；通过对比待修复缺陷点的横向尺寸与数控轨迹加工可修复临界尺寸的大小决定微缺陷修复方式；然后基于电磁场理论，建立修复结构诱导光增强的仿真模型，对比分析不同形状和尺寸的修复结构所引起光增强大小，选取光增强最小的修复形状和尺寸规划出最优修复结构；根据已规划的最优修复结构，微铣削加工出相应的修复结构。本发明适用于光学晶体表面微缺陷修复。

Description

一种考虑光增强效应的光学晶体表面微缺陷修复方法

技术领域

本发明涉及一种光学晶体表面微缺陷修复方法。

背景技术

为了实现受控核聚变能源，世界各国均在纷纷建立大型高功率固体激光系统。它是采用高能量、多路数的激光进行驱动，以实现聚变点火所需要的极端条件。例如，美国已建成的国家点火装置(National Ignition Facility，NIF)采用192路激光进行驱动。在如此庞大的激光系统中，需要用到大口径、高精度、高质量光学元件数万件。其中，KDP光学晶体因具备独特的光学性能而被用作光电开关和倍频元件，成为激光核聚变装置现阶段唯一不可替代的光学元件，整个NIF装置中共需要大口径(41cm×41cm)光学晶体元件576件。然而，大口径KDP光学晶体的水溶生长和超精密加工具极其困难，当前光学晶体的供应极为紧张，并且，加工制备后的光学晶体在强激光辐照环境下极易诱发激光损伤微缺陷点，这些损伤缺陷点在后续激光打靶下会急剧扩展，最终造成整块光学晶体元件报废。现阶段，光学晶体的激光损伤阈值远小于其理论计算值，开发先进的技术手段对光学晶体表面微缺陷进行修复去除，以实现昂贵晶体元件的循环使用，是保证激光核聚变装置稳定运行的关键。

光学晶体表面微缺陷在强激光辐照下会对入射激光产生强烈调制，造成晶体内部局部光强显著增强，是导致后续激光打靶时微缺陷尺寸急剧扩展的主要因素。因此，需要一种针对光学晶体表面微缺陷结构修复的方法。

目前，国际上通过对比长脉冲激光熔融修复、水溶解刻蚀修复、超短脉冲激光烧蚀修复、微机械加工修复等各种修复技术后发现，精密微机械修复(主要是基于球头微铣刀的微铣削修复)是大口径软脆光学晶体元件最具前景的一种修复方法。虽然国际上采用微机械修复技术已加工出高斯型、球型和锥形的修复结构，并初步验证了该类修复结构对初始损伤点的增长行为具有一定缓解效果，但目前并未实现光学晶体表面微缺陷精密微铣削修复工艺定型，尤其是急需一种根据光学晶体表面初始损伤点形貌来规划最优修复结构的设计方法。

发明内容

本发明为了解决在光学晶体表面损伤点修复领域中，目前还未实现光学晶体表面微缺陷精密微铣削修复工艺定型的问题。

一种考虑光增强效应的光学晶体表面微缺陷修复方法，包括以下步骤：

步骤1.采用显微镜对光学晶体表面缺陷点形貌和尺寸进行检测，获得表面待修复缺陷点的横向尺寸w和纵向尺寸d；

步骤2.通过对比待修复缺陷点的横向尺寸w与数控轨迹加工可修复临界尺寸w₀的大小，决定微缺陷修复方式：

当w＞w₀时，针对缺陷点设计修复结构并确定采用数控轨迹加工方式对缺陷点进行修复，针对不同的修复结构生成基于层铣和螺旋铣的微铣削修复工艺；

当w≤w₀时，确定采用高速球刀直接成形的加工方式对缺陷点进行修复去除，形成修复结构；

步骤3.基于电磁场理论，建立修复结构诱导光增强的仿真模型，对比分析不同形状和尺寸的修复结构所引起光增强大小，选取光增强最小的修复形状和尺寸规划出最优修复结构；

步骤4.根据已规划的最优修复结构，结合步骤2确定的加工方式在光学晶体修复机床上微铣削加工出相应的修复结构。

进一步地，所述步骤2中采用数控轨迹加工方式对缺陷点进行修复为根据预先设计的修复结构规划微铣削修复数控加工的走刀轨迹，基于层铣粗修和螺旋铣精修的数控轨迹实现修复结构的加工。

进一步地，所述步骤2中高速球刀直接成形的加工方式为采用高速旋转的球头微铣刀对光学晶体表面缺陷直接进行成形修复。

进一步地，所述步骤3的具体过程如下：

3.1、初始条件选用均匀时谐平面电磁波作为入射激励，激发电磁波在晶体内部的传输方程为：

式中，E、H分别代表电场、磁场强度矢量；E₀、H₀为复数常矢量振幅；k为波矢量，r为光波传输方向单位矢量；ω是角频率；i是虚数单位；t是时间；

3.2、激光光强增强因子的求解：

电磁波包含电场和磁场，其携带的能量密度计算公式如下：

其中，w_e为电场能量密度，D为电位移；w_m为磁场能量密度，B为磁感应强度；

坡印廷矢量S表示单位时间内与激光传播方向垂直的单位面积上通过的能量，其计算表达式如下：

S＝E×H

针对所选用的时谐平面电磁波，激光在光学晶体内部传输时能量聚集的光强表示为：

其中，ε表示光学晶体的介电常数；μ表示光学晶体的磁导率；

引入光强增强因子LIEF表征光学晶体表面修复结构存在时，其内部的光强增强程度大小；

式中，I₀为光学晶体表面无缺陷时内部光强值，I_max为光学晶体表面存在各类修复结构时内部最大光强值；

将LIEF作为修复结构所引起光增强大小，进行对比分析，将不同形状和尺寸的修复结构所引起光增强最小的修复形状和尺寸规划出最优修复结构。

本发明具有以下有益效果：

本发明不仅实现光学晶体表面微缺陷精密微铣削修复工艺定型，而且还能够根据光学晶体表面初始缺陷点形貌和尺寸特征，实现了不同尺度表面缺陷点的分类修复方法，提高了光学晶体表面缺陷精密微修复的适用性和灵活性。同时本发明基于电磁场理论，对不同形状修复结构引起的光增强大小进行对比仿真分析，可实现修复形状和结构参数的优选，有助于规划出最优的修复结构，大大提升光学晶体修复后的光学性能。采用高速球刀直接成形的修复方式可实现小尺寸缺陷点的快速修复，并且能改善修复表面质量，而采用数控轨迹加工的修复方式可针对较大尺寸修复点，实现不同复杂形状的修复结构加工，大大提高修复效果；采用微铣削修复可将KDP晶体元件的激光损伤阈值恢复至理想无缺陷晶体的80％以上，尤其是对于规划后的锥型修复结构，其诱导的光强增强因子最小，损伤阈值是理想无缺陷表面的89.7％，具有最优的修复效果。

附图说明

图1为考虑光增强效应的光学晶体表面微缺陷修复方法流程图；

图2为基于层铣粗修和螺旋铣精修的数控轨迹加工修复示意图；

图3为旋转的球头微铣刀对光学晶体表面缺陷直接进行成形修复的原理示意图；

图4为采用FDTD方法仿真求解光增强时边界条件的设置示意图；

图5a为损伤缺陷点二维形貌图；图5b为损伤缺陷点三维形貌图；

图6a为具有较高抗激光损伤能力的球型修复结构示意图；图6b为具有较高抗激光损伤能力的高斯型修复结构示意图；图6c为具有较高抗激光损伤能力的锥型修复结构示意图；

图7a为球型修复结构诱导的光强增强分布仿真结果；图7b为高斯型修复结构诱导的光强增强分布仿真结果；图7c为锥形修复结构诱导的光强增强分布仿真结果；

图8为不同修复结构诱导的光强增强因子随其宽深比参数的变化曲线；

图9a为层铣粗修后获得的锥型修复结构形貌，图9b为螺旋铣精修后获得的锥型修复结构形貌；

图10为层铣粗修和螺旋铣精修后获得的不同修复结构粗糙度对比图；

图11为不同修复结构的激光诱导损伤阈值和光强增强因子对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，

一种考虑光增强效应的光学晶体表面微缺陷修复方法，包括以下步骤：

步骤1.采用高分辨率超景深显微镜对光学晶体表面缺陷点形貌和尺寸进行检测，获得表面待修复缺陷点的横向尺寸w(宽度)和纵向尺寸d(深度)；

采用的高分辨率超景深显微镜是由日本基恩士公司生产的型号为VH-1000E超景深立体三维显微系统，可用于光学晶体表面缺陷点横向和纵向深度尺寸的精确检测，最大放大倍数可达5000倍，深度方向检测可实现1μm的分辨率，能够实现待修复缺陷宽度和深度尺寸的精确检测。

步骤2.通过对比待修复缺陷点的横向尺寸w与数控轨迹加工可修复临界尺寸w₀的大小，决定微缺陷修复方式：

当w＞w₀时，表明可采用数控轨迹加工的方式将缺陷点修复成光滑的复杂修复结构，针对缺陷点设计修复结构并确定采用数控轨迹加工方式对缺陷点进行修复，针对不同的修复结构生成基于层铣和螺旋铣的微铣削修复工艺；

当w≤w₀时，表明无法采用数控轨迹加工的方式将缺陷点修复成光滑的复杂修复结构，确定采用高速球刀直接成形的加工方式对缺陷点进行修复去除，形成修复结构；

所述的数控轨迹加工可修复临界尺寸w₀是通过考虑数控轨迹加工修复方式中的对刀误差来确定的。数控轨迹加工修复是在确定了光学晶体表面微缺陷位置后通过对刀找到加工坐标系原点，并按照预设的修复结构加工代码进行加工，以此获得所需要的修复结构。这里根据刀具实体及其倒影间的距离来进行对刀(“投影法”对刀)，对刀误差可控制在3μm以内。由于光学晶体表面损伤缺陷点的横向尺寸一般远大于纵向尺寸，因此以待修复缺陷的横向尺寸作为修复完成的判定标准。晶体表面缺陷深度小于3μm时，因对刀误差的影响无法采用数控轨迹加工方式进行修复，必须采用高速球刀直接成形的修复方式。为了保证缺陷彻底去除，这里设置一定的安全系数，选取5μm作为缺陷深度临界值。此时，经几何计算，对于所采用的直径为0.5mm的球头铣刀，其数控轨迹加工的可修复临界宽度尺寸w₀＝140μm。

步骤3.基于电磁场理论，建立修复结构诱导光增强的仿真模型，对比分析不同形状和尺寸的修复结构所引起光增强大小，选取光增强最小的修复形状和尺寸规划出最优修复结构；

步骤4.根据已规划的最优修复结构，结合步骤2确定的加工方式在光学晶体修复机床上微铣削加工出相应的修复结构。

光学晶体修复机床采用大口径KDP晶体元件表面微缺陷快速搜寻与微铣削修复装置(申请号：201310744691.1)，该机床针对430mm×430mm大口径KDP光学晶体表面缺陷点可实现不同修复结构的数控轨迹修复和高速球刀直接成形加工修复。

具体实施方式二：

本实施方式所述步骤2中采用数控轨迹加工方式对缺陷点进行修复为根据预先设计的修复结构规划微铣削修复数控加工的走刀轨迹，基于层铣粗修和螺旋铣精修的数控轨迹加工实现复杂形状修复结构的加工。

基于层铣粗修和螺旋铣精修的数控轨迹加工修复示意图如图2所示，具体包括以下步骤：修复结构的三维建模、层铣粗修加工轨迹规划、螺旋铣精修加工轨迹规划、加工代码生成及其加工过程仿真验证、对刀、复杂修复结构的数控加工。这种修复方式的优点是针对不同类型的表面缺陷点，可实现复杂修复结构的加工，典型修复结构包括球形、高斯形、锥形等。缺点是对刀复杂，走刀轨迹会形成刀痕，影响修复表面质量。

具体实施方式三：

本实施方式所述步骤2中高速球刀直接成形的加工方式为采用高速(70000r/min)旋转的球头微铣刀对光学晶体表面缺陷直接进行成形修复，该种修复方式的原理示意图如图3所示，图中1是球头微铣刀，2是KDP晶体，3是晶体修复表面。

修复过程具体包括以下步骤：缺陷点探寻/寻位、CCD对刀、根据修复深度Z轴进给、退刀。这种修复方式的优点是修复效率高，数十微米修复深度耗时不足1分钟，并且修复过程中刀具为单次切入/切出模式，无刀纹产生，修复表面质量较高。缺点是修复点形状由修复刀具形状决定，无法修复加工出不同形状的修复结构，采用球刀进行修复时修复形状为球形，修复结构的几何参数由损伤缺陷深度决定。

其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：

本实施方式所述步骤3的具体过程如下：

建立修复结构诱导光增强的仿真模型是基于严格电磁场理论建立的，采用时域有限差分方法(Finite Difference Time Domain，FDTD)对描述激光传输行为的Maxwell方程组进行差分数值求解，将空间任意一点的电、磁场分量与场源(电流、电荷密度矢量)联系起来，最终可确定激光经由修复结构传输后光学晶体内部任意一点处的电场和磁场，由此获得不同形状的修复结构引起的晶体内部局部能量聚集程度，从而实现考虑光学性能(光增强效应)的光学晶体修复结构的优化设计，该理论分析过程中需要解决平面波激励引入、激光光强增强因子求解、边界条件选取、数值求解时间和空间步长的确定等问题。

基于严格电磁场理论建立修复结构诱导光增强的仿真模型：

3.1、引入平面波激励，光学晶体实际使用环境下的激光是一种近似高斯型分布的光波，该种光波本身光强分布不均匀，经过修复结构的衍射、折射效应后引起的光学晶体光强分布变化很难得到体现。而由傅里叶变换思想可知，任意形式的电磁波都可分解为一系列频率不同的均匀时谐平面电磁波。因此，这里初始条件选用均匀时谐平面电磁波作为入射激励，其电磁场量的复数表达形式如下：

将式(1)带入Maxwell方程组并简化，可推导出在时谐平面电磁波的初始激励下，激发电磁波在晶体内部的传输方程为：

式中，E、H分别代表电场、磁场强度矢量；E₀、H₀为复数常矢量振幅；k为波矢量，r为光波传输方向单位矢量；ω是角频率；i是虚数单位；t是时间；

3.2、激光光强增强因子的求解：

电磁波包含电场和磁场，其携带的能量密度计算公式如下：

其中，w_e为电场能量密度，D为电位移；w_m为磁场能量密度，B为磁感应强度；

入射激光在光学晶体内部的传输伴随着激光能量的流动过程，电磁波能量密度矢量——坡印廷矢量S表示单位时间内与激光传播方向垂直的单位面积上通过的能量，其计算表达式如下：

S＝E×H (4)

针对所选用的时谐平面电磁波，激光在光学晶体内部传输时能量聚集的光强可表示为：

其中，T表示激光脉冲周期；H^*表示磁场量H的共轭复矢量；Re表示取实部；ε表示光学晶体的介电常数；μ表示光学晶体的磁导率；

这里引入光强增强因子LIEF(Light Intensity Enhancement Factor)来表征光学晶体表面修复结构存在时，其内部的光强增强程度大小；LIEF是光学晶体表面存在各类修复结构时内部的最大光强与无缺陷晶体内部光强的比值：

式中，I₀为光学晶体表面无缺陷时内部光强值，I_max为光学晶体表面存在各类修复结构时内部最大光强值；

从光学元件激光损伤的难易程度来看，光强增强因子越大，越容易加剧光学晶体材料的光致电离、隧道电离以及局部能量聚集引起的应力集中，更容易导致晶体元件发生光击穿破坏。因此，这里通过考虑不同修复结构引起的光强增强因子大小，来实现光学晶体最优修复结构的设计。

在进行实际的激光光强增强因子的求解过程中，受数值求解过程中计算机运算能力和硬件条件的限制，修复结构诱导的光增强仿真只能针对有限尺寸的区域，因此需要对求解区域的边界条件进行处理。如图4所示，图中A为入射激光，B为反射激光，C为透射激光，2为是KDP晶体，10为空气，11为PML有限厚度吸收层，12为PBC边界；在激光入射方向(z方向)选取完全匹配层(Perfectly Matched Layer，PML)吸收性边界条件，通过在边界层设置具有特定介电常数和磁耗损系数的特殊介质层，使得入射电磁波从各个方向无反射的进入PML层并在其中迅速衰减。另外，在与激光入射方向垂直方向(x方向)，采用周期性边界条件(Periodic Boundary Condition，PBC)进行计算区域的截断，但需注意仿真区域的总尺寸必须在一定程度上大于光学晶体表面修复结构尺寸，以消除PBC边界条件引起的相邻结构间叠加产生的干扰。

数值求解时间和空间步长的确定：采用FDTD方法对Maxwell方程组进行数值求解时必须考虑计算稳定性问题，即保证差分数值求解的结果与原方程严格解之间的偏差为有界。FDTD差分求解的数值稳定性由空间步长Δx、Δy、Δz和时间步长Δt决定。根据数值求解的Courant稳定条件，时间步长和空间步长必须满足以下条件：

式中，c为光学晶体材料中的光速。此外，若空间步长的尺寸选取过大，将导致离散数值求解不收敛，而空间步长过小又会加大仿真的计算量。这里在保证数值求解收敛性的条件下，折中考虑计算量，要求空间步长必须满足以下条件(以Δx为例)：

Δx≤λ/12 (8)

本发明为考虑光增强效应的光学晶体表面微缺陷修复结构规划方法，提出了通过考虑光学晶体表面微缺陷的初始形态和不同形状、结构参数的修复结构引起的光增强程度大小，规划出修复效果最好的微缺陷修复结构。

将LIEF作为修复结构所引起光增强大小，进行对比分析，将不同形状和尺寸的修复结构所引起光增强最小的修复形状和尺寸规划出最优修复结构。

其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

实施例

按照具体实施方式三的流程进行考虑光增强效应的光学晶体表面微缺陷修复方法试验验证。

1)光学晶体表面特征形貌与尺寸检测，采用超景深显微镜对光学晶体表面典型缺陷点特征形貌和尺寸进行检测，获得待修复缺陷点的横向和纵向尺寸，检测结果如图5a和图5b所示，实际光学晶体表面激光损伤缺陷点主要由中央烧蚀区、热冲击影响区和周边炸裂剥落区组成，周边炸裂剥落区是激光损伤破坏区域的主要部分，它是由激光损伤过程中热冲击引起的光学晶体发生壳裂产生的，是造成缺陷点在后期激光辐照下增长的主要因素。经检测，该缺陷点的横向宽度尺寸和纵向深度尺寸分别为w＝181.6μm，d＝18.9μm，缺陷宽度尺寸大于数控轨迹加工的可修复临界尺寸，将采用数控轨迹加工方式进行修复。

2)基于数控轨迹加工方式的层铣和螺旋铣修复工艺设计，对于图5a中的光学晶体表面缺陷点，其横向宽度尺寸大于数控轨迹加工的可修复临界尺寸，说明无法采用基于高速球刀直接成形的加工方式对缺陷点进行修复去除，必须采用数控轨迹加工方式进行修复。数控轨迹加工修复方式是指采用球头微铣刀通过计算机规划球头铣刀的运动轨迹，加工获得不同尺寸和形状的修复结构，实现初始缺陷点的修复去除，以提升光学晶体元件的抗激光损伤能力。根据前期的实验验证可知，具有较高抗激光损伤能力的修复结构通常为球型、高斯型和锥型结构，如图6所示。这里将初始损伤点修复成这三种结构，不同修复结构的修复效果除了与修复结构的形状有关外，还与修复结构的几何参数(宽深比)密切相关。因此，本发明基于严格电磁场理论，通过对比分析不同形状和尺寸参数修复结构诱导的光强增强，优选出抗激光损伤能力最高的修复结构形状和参数，从而实现光学晶体表面缺陷修复结构的优化设计。

在设计基于数控轨迹加工方式的修复工艺时，为了既控制缺陷修复所耗费的时间(即：修复效率)，又保证修复后光学晶体表面的修复质量，这里采用“先粗后精”的原则规划数控加工修复过程中刀具的走刀轨迹。具体先通过层铣的方式实现光学晶体表面缺陷区大部分材料的快速去除(高效粗修)，初步获得待修复复杂结构的轮廓，并预留精修时的加工余量。之后，基于螺旋铣的方式对预留的加工余量进行加工去除(高质量精修)，最终实现初始缺陷点的高效、高质量修复，规划的基于层铣粗修和螺旋铣精修的走刀轨迹。

3)不同形状修复结构诱导光增强的对比，基于时域有限差分方法，对图6a至图6c中球型、高斯型和锥型三种典型修复结构诱导的光强增强进行对比仿真分析，可确定出抗激光损伤能力最高的修复结构，由此规划光学晶体最优的修复结构形状和参数。位于光学晶体前表面的三种修复结构诱导的光强增强分布仿真结果如图7a至图7c所示。由图7a至图7c可知，虽然修复结构使得晶体内部形成的两条明显的对称光强增强条纹，但最大光强增强因子均很低(最大光强增强因子LIEF小于1.6)，这说明球型、高斯型和锥形三种修复结构均可大大降低初始损伤缺陷点诱导的光强增强(修复前缺陷诱导的光增强可达10以上)，从而达到提升晶体抗元件激光损伤能力的目的。但是对于图7a至图7c中的三种修复结构，锥型修复点诱导的光强增强因子最小(LIEF＝1.3)，其次是球型(LIEF＝1.4)和高斯型(LIEF＝1.5)修复结构。这一结果说明，从光强增强的角度考虑，锥型结构是最优的修复结构形状，将初始损伤点修复成该种结构可获得最优的修复效果。

修复结构诱导的光强增强除与其形状有关外，还与其修复结构的几何结构参数(宽深比)密切相关，KDP晶体表面不同修复结构诱导的光强增强因子随其宽深比参数的变化规律如图8所示。图8中不同宽深比参数的修复结构，锥型修复结构诱导的光强增强因子LIEF均低于高斯型和球型修复结构，宽深比较大时，后两种修复结构诱导的LIEF比较接近。该结果进一步说明锥型修复结构引起的晶体内部光强增强最低，修复后元件在强激光使用环境下也具有最低的损伤概率，修复效果也最佳。因此，这里选择将图5中的初始损伤缺陷点修复成锥型修复结构。

4)初始损伤缺陷点的修复实验及修复效果考核，根据上所述分析结果，采用已设计的数控加工修复工艺，将图5中的初始损伤缺陷点修复成锥型的修复结构，采用申请号为CN201310744691.1的大口径KDP晶体元件表面微缺陷快速搜寻与微铣削修复装置，锥型修复结构的参数选为宽1000μm，深20μm(即：宽深比ζ＝50)以确保将初始损伤缺陷点彻底去除。初始损伤点经层铣粗修和螺旋铣精修后获得修复结构形貌如图9a和图9b所示。由图可知，采用微铣削修复可将初始损伤点彻底去除，修复表面光滑，纹理均匀，说明晶体材料为塑性域去除模式，无新脆性破裂点产生。此外，在层铣修复加工后采用螺旋铣进行精修，可将修复结构表面粗糙度由37.1nm降低至26.3nm，大大提高了修复表面质量。采用该修复加工工艺，加工获得的粗修和精修高斯型、锥型和球型修复结构表面质量检测结果如图10所示。由图可知，无论何种修复结构，采用层铣粗修和螺旋铣精修的修复工艺方法，均可获得高表面质量的修复表面结构(粗糙度Ra为30nm左右)。此外，微铣削加工的锥型修复结构也具有最低的表面粗糙度，这主要是由于锥型修复几何结构具有恒定的斜率，而高斯型和球型修复结构的几何斜率是变化的，这使得采用多轴数控修复加工高斯型和球型结构时容易引入刀轨误差，增大修复表面的粗糙度。

对修复加工的微结构表面进行激光损伤测试实验以验证其修复效果，图11为不同修复结构的激光诱导损伤阈值和光强增强因子对比图。由图可知，采用微铣削修复可将KDP晶体元件的激光损伤阈值恢复至理想无缺陷晶体的80％以上，尤其是对于规划后的锥型修复结构，其诱导的光强增强因子最小，损伤阈值是理想无缺陷表面的89.7％，具有最优的修复效果。

上述步骤使用了本发明的工艺流程，实现了大口径KDP晶体表面微缺陷修复形状的规划，达到了最大程度恢复该类晶体元件的抗激光损伤能力并延缓其使用寿命的目的。

Claims (3)

1.一种考虑光增强效应的光学晶体表面微缺陷修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采用显微镜对光学晶体表面缺陷点形貌和尺寸进行检测，获得表面待修复缺陷点的横向尺寸w和纵向尺寸d；

步骤2、通过对比待修复缺陷点的横向尺寸w与数控轨迹加工可修复临界尺寸w₀的大小，决定微缺陷修复方式：

当w＞w₀时，针对缺陷点设计修复结构并确定采用数控轨迹加工方式对缺陷点进行修复，针对不同的修复结构生成基于层铣和螺旋铣的微铣削修复工艺；

当w≤w₀时，确定采用高速球刀直接成形的加工方式对缺陷点进行修复去除，形成修复结构；

步骤3、基于电磁场理论，建立修复结构诱导光增强的仿真模型，对比分析不同形状和尺寸的修复结构所引起光增强大小，选取光增强最小的修复形状和尺寸规划出最优修复结构；具体过程如下：

3.1、初始条件选用均匀时谐平面电磁波作为入射激励，激发电磁波在晶体内部的传输方程为：

式中，E、H分别代表电场、磁场强度矢量；E₀、H₀为复数常矢量振幅；k为波矢量，r为光波传输方向单位矢量；ω是角频率；i是虚数单位；t是时间；

3.2、激光光强增强因子的求解：

电磁波包含电场和磁场，其携带的能量密度计算公式如下：

其中，w_e为电场能量密度，D为电位移；w_m为磁场能量密度，B为磁感应强度；

坡印廷矢量S表示单位时间内与激光传播方向垂直的单位面积上通过的能量，其计算表达式如下：

S＝E×H

针对所选用的时谐平面电磁波，激光在光学晶体内部传输时能量聚集的光强表示为：

其中，ε表示光学晶体的介电常数；μ表示光学晶体的磁导率；

引入光强增强因子LIEF表征光学晶体表面修复结构存在时，其内部的光强增强程度大小；

式中，I₀为光学晶体表面无缺陷时内部光强值，I_max为光学晶体表面存在各类修复结构时内部最大光强值；

将LIEF作为修复结构所引起光增强大小，进行对比分析，将不同形状和尺寸的修复结构所引起光增强最小的修复形状和尺寸规划出最优修复结构；

步骤4、根据已规划的最优修复结构，结合步骤2确定的加工方式在光学晶体修复机床上微铣削加工出相应的修复结构。

2.根据权利要求1所述的一种考虑光增强效应的光学晶体表面微缺陷修复方法，其特征在于，所述步骤2中采用数控轨迹加工方式对缺陷点进行修复为根据预先设计的修复结构规划微铣削修复数控加工的走刀轨迹，基于层铣粗修和螺旋铣精修的数控轨迹加工实现修复结构的加工。

3.根据权利要求1所述的一种考虑光增强效应的光学晶体表面微缺陷修复方法，其特征在于，所述步骤2中高速球刀直接成形的加工方式为采用高速旋转的球头微铣刀对光学晶体表面缺陷直接进行成形修复。

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