CN110548466A - 一种沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法 - Google Patents

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陆广华
袁松梅
王克鸿
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Abstract

本发明涉及一种沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法。该方法通过使用低于损伤阈值的飞秒激光扫描沉积层，改变沉积层内部及沉积层与光学元件连接界面的分子结构，减少空穴、色心等影响光学性能的缺陷。通过改变激光功率、脉冲频率、光斑大小等激光参数和扫描速度、扫描轨迹、光斑重叠率等加工工艺参数来修复沉积层及沉积层与基材结合面间的缺陷，提高修复效率。本发明由于采用上述方法，可修复光学元件表面机械加工及沉积层制备过程中存在的缺陷，保持光学元件面形精度及粗糙度不降低。本发明适用于对表面形貌要求严格的光学元件表面沉积层修复。

Description

一种沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法
技术领域
本发明涉及光学元件沉积层缺陷修复技术领域，具体地说广泛适用于生物、医疗、国防、外太空探测、制造等领域的沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法。
背景技术
由于光学玻璃沉积层具有优良的透光性和准确的折射率等优点，在光学显微镜、激光设备等高精尖设备中起到越来越重要的作用。但是，在光学玻璃沉积层制备过程中，光学玻璃沉积层的内部及表面组织结构产生了缺陷，如：点缺陷、化学键断裂、色心及氧心缺陷等。这些缺陷增加了杂质能带，降低了光学玻璃沉积层的透光度，其产生的光学吸收还会导致光传播的损耗增大。随着在光学玻璃沉积层内传播的光强度越来越高，也随着设备对设备分辨率要求越来越高，对光的通过率也越来越高，这些缺陷已经严重影响了相关高精密设备的品质。与此同时，高强度光在光学玻璃沉积层中传播中，由于微小缺陷的存在，在微小缺陷处存在的明显光吸收现象，导致热量集聚，形成局部损伤，最终造成光学器件的失效。因此，应用于高精尖系统上面的光学玻璃沉积层的缺陷修复技术已成为新的制约装备性能的关键因素。
发明内容
本发明的目的是解决上述存在的问题，提供一种沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法，包括光学元件表面沉积层的清洁、干燥及飞秒激光辐照光学元件表面沉积层的缺陷，通过使用低于损伤阈值的飞秒激光扫描沉积层，改变沉积层内部及沉积层与光学元件连接界面的分子结构。
该方法具体步骤为：
第一步：激光辐照沉积层前，使用镜头擦拭用无尘布沾取无水乙醇或丙酮，单次同方向擦拭待改性区薄膜表面，然后用干燥的无尘布擦去残留的痕迹；
第二步：将试样放置在真空吸盘工作台上；
第三步：调节激光参数和辐照轨迹参数进行辐照处理。；用飞秒激光从一端开始按轨迹扫描需要改性的薄膜区域，调整激光功率、脉冲频率、光斑大小等激光参数，改变扫描速度、扫描轨迹、光斑重叠率、扫描轨迹间距加工工艺参数；改变薄膜及薄膜与基材结合处的缺陷，提高光学元件的光学性能和抗激光损伤能力；
第四步：激光扫描完待改性区沉积层后，取出工件。
进一步的，光学元件材质为熔石英、KDP晶体、K7或K9的光学性能好、抗激光损伤能量强的材料，厚度为1mm～100mm，直径为
进一步的，光学元件沉积层材料包括SiO2，HfO2或Al2O3，沉积层厚度为10nm～2000nm。
进一步的，沉积层内部及界面原子级缺陷是指光学玻璃沉积层在沉积过程中产生的纳米级、原子级缺陷，包括E’心，色心，氧心或羟基。
进一步的，激光光源是单路或多路并行，激光光路为经过时域整形的光路或常规光路。
进一步的，当工件直径小于20mm时，采用常规光路且单路光源；工件直径大于20mm时，采用时域整形光路且多路并行光源。
进一步的，第四步中，加工工艺参范围为：能量密度0.1J/cm2～1J/cm2，脉宽100fs～300fs，光斑直径1μm～40μm，重复频率200Hz～1kHz，光斑重叠率30％～100％。
进一步的，第四步扫描轨迹是“Z”形，螺旋形，S形轨迹或平行轨迹。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：
1、本发明利用远低于烧蚀阈值的低能量飞秒激光修复既能满足缺陷修复所需能量，又不会产生烧蚀，损伤光学元件表面薄膜现象发生。
2、本发明的飞秒激光扫描不产生热效应且不引入残余应力，不会造成新的损伤。
3、本发明的低能量飞秒激光辐照不会改变薄膜面型精度和表面粗糙度。
附图说明
图1光学元件飞秒激光修复过程示意图。
图2光学元件飞秒激光修复路径示意图，其中，a)“S”形，b)螺旋式。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明
本发明的可适用于融石英玻璃，K9，K7等透明光学元件表面SiO2，HfO2和Al2O3沉积层内部及界面处的E’心，色心，氧心，羟基等原子级缺陷的修复。
本发明的原理及依据是：由于飞秒激光脉宽远小于电子-声子耦合时间，远小于材料的热扩散时间，因此在激光整个持续时间内，仅需考虑电子吸收入射光子的激发和储能过程，而电子通过辐射声子的冷却以及热扩散过程可以忽略不计，属于非热熔性处理过程；使用的飞秒激光能量低，远小于烧蚀阈值，故不会改变材料表面的面形精度和表面粗糙度；飞秒激光辐照光学元件表面薄膜后，通过线性和非线性过程将激光能量转移到电子，并将它们从基态提升到某种激发态，实现健能强的结合取代键能弱的结合、断键被修复，减少薄膜及薄膜与基材间的色心、断键、空穴等缺陷，提高光学元件的光学性能和抗激光损伤能力。
如图1、2所示。一种沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法，包含光学元件表面沉积层的清洁、干燥，飞秒激光辐照修复2大步骤，实现光学玻璃沉积层的缺陷修复，提高光学元件的光学性能和抗激光损伤性能。
一种沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法，该方法步骤具体为：
第一步：激光辐照沉积层前，使用镜头擦拭用无尘布沾取无水乙醇或丙酮，单次同方向擦拭待改性区薄膜表面，然后用干燥的无尘布擦去残留的痕迹。
第二步：将试样放置在真空吸盘工作台上。
第三步：调节激光参数和辐照轨迹参数进行辐照处理。采用飞秒激光从一端开始按一定轨迹扫描需要改性的薄膜区域，调整激光功率、脉冲频率、光斑大小等激光参数，改变扫描速度、扫描轨迹、光斑重叠率、扫描轨迹间距等加工工艺参数。修复薄膜及薄膜与基材结合处的缺陷，提高光学元件的光学性能和抗激光损伤能力。
第四步：激光扫描完待改性区沉积层后，取出工件。
本发明所述的第四步加工工艺参数范围为：能量密度0.1J/cm2～1J/cm2，脉宽100fs～300fs，光斑直径1μm～40μm，重复频率200Hz～1kHz，光斑重叠率30％～100％。
本发明第四步扫描轨迹可以是“Z”形，螺旋形，S形轨迹，平行轨迹，如图2所示。
实施例1
对融石英玻璃沉积层进行缺陷飞秒激光修复，基体材料是融石英，沉积层材料为SiO2，沉积层厚度为20nm。在万级洁净间中进行。首先把无水乙醇均匀滴在无尘布上，然后采用无尘布对沉积层进行单方向擦拭，擦过的无尘布不再使用，直到沉积层表面在光的反射下表面没有灰尘。最后把融石英材料固定在飞秒激光的图1的可移动工作平台上5，打开真空阀，让融石英吸附在工作台表面，保证沉积层3正对激光1辐照的位置。调节激光参数：激光功率0.2J/cm2，脉宽300fs，重复频率1kHz，调节透镜2，使得光斑直径为0.05mm，扫描速度2mm/s，轨迹间隔0.03mm，轨迹超出融石英尺寸0.2mm，采用附图2中S形轨迹1辐照方式进行扫描。原子级缺陷通过光谱吸收率进行测量，缺陷越多，吸收率越高，修复后，融石英玻璃在可见光波段的吸收率降低了约7％。
实施例2
对融石英沉积层进行缺陷飞秒激光修复，基体材料是K9玻璃，沉积层材料为HfO2，沉积层厚度为20nm。实验是在万级洁净间中进行。首先把无水乙醇均匀滴在无尘布上，然后采用无尘布对沉积层进行单方向擦拭，擦过的无尘布不再使用，直到沉积层表面在光的反射下表面没有灰尘。最后把融石英材料固定在飞秒激光的附图1的可移动工作平台5上，打开真空阀，让融石英吸附在工作台表面，保证沉积层3正对激光2辐照的位置。调节激光参数：激光功率0.5J/cm2，脉宽300fs，重复频率300Hz，调节透镜1，使得光斑直径为0.05mm，扫描速度2mm/s，轨迹间隔0.03mm，轨迹超出融石英尺寸0.2mm，采用图2中螺旋形轨迹2辐照方式进行扫描。原子级缺陷通过光谱吸收率进行测量，缺陷越多，吸收率越高，修复后，K9玻璃在可见光波段的吸收率降低了约7％。
本发明的应用于光学元件薄膜原子级缺陷修复的飞秒激光加工方法，不会损伤薄膜和基材，不会发生热量传递导致薄膜变形。可以保持修复表面的面形精度和表面粗糙度不降低，且提高薄膜与基材的结合力，并保证光学性能和抗激光损伤性能良好。

Claims (9)

1.一种沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法，其特征在于，包括光学元件表面沉积层的清洁、干燥及飞秒激光辐照光学元件表面沉积层的缺陷，通过使用低于损伤阈值的飞秒激光扫描沉积层，改变沉积层内部及沉积层与光学元件连接界面的分子结构。
2.根据权利要求1所述的沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法，其特征在于，该方法具体步骤为：
第一步：激光辐照沉积层前，使用镜头擦拭用无尘布沾取无水乙醇或丙酮，单次同方向擦拭待改性区薄膜表面，然后用干燥的无尘布擦去残留的痕迹；
第二步：将试样放置在真空吸盘工作台上；
第三步：调节激光参数和辐照轨迹参数进行辐照处理。；用飞秒激光从一端开始按轨迹扫描需要改性的薄膜区域，调整激光功率、脉冲频率、光斑大小等激光参数，改变扫描速度、扫描轨迹、光斑重叠率、扫描轨迹间距加工工艺参数；改变薄膜及薄膜与基材结合处的缺陷，提高光学元件的光学性能和抗激光损伤能力；
第四步：激光扫描完待改性区沉积层后，取出工件。
3.根据权利要求2所述的沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法，其特征在于，所述光学元件材质为熔石英、KDP晶体、K7或K9的光学性能好、抗激光损伤能量强的材料，厚度为1mm～100mm，直径为
4.根据权利要求2所述的沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法，其特征在于，所述的光学元件沉积层材料包括SiO2，HfO2或Al2O3，沉积层厚度为10nm～2000nm。
5.根据权利要求2所述的沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法，其特征在于，所述的沉积层内部及界面原子级缺陷是指光学玻璃沉积层在沉积过程中产生的纳米级、原子级缺陷，包括E’心，色心，氧心或羟基。
6.根据权利要求2所述的沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法，其特征在于，所述的激光光源是单路或多路并行，激光光路为经过时域整形的光路或常规光路。
7.根据权利要求6所述的沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法，其特征在于，当工件直径小于20mm时，采用常规光路且单路光源；工件直径大于20mm时，采用时域整形光路且多路并行光源。
8.根据权利要求2所述的沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法，其特征在于，所述的第四步中，加工工艺参范围为：能量密度0.1J/cm2～1J/cm2，脉宽100fs～300fs，光斑直径1μm～40μm，重复频率200Hz～1kHz，光斑重叠率30％～100％。
9.根据权利要求2所述的沉积层原子级缺陷的飞秒激光修复方法，其特征在于，所述的第四步扫描轨迹是“Z”形，螺旋形，S形轨迹或平行轨迹。
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