CN112608035B - 熔石英元件的飞秒激光改性装置及其损伤点复合修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种熔石英元件的飞秒激光改性装置及其损伤点复合修复方法，包括损伤点尺寸测量、飞秒激光改性、溶液腐蚀和残液清洗的步骤。采用以上技术方案的熔石英元件的飞秒激光改性装置及其损伤点复合修复方法，先利用飞秒激光改性装置对熔石英元件需要去除的部分勾勒轮廓改性，再利用化学溶剂进行去除，不仅能够快速地去除包含损伤点的熔石英块体，完成对损伤点的复合修复，具有高效稳定的特点，而且可以避免热应力的残留，不影响熔石英元件的阈值。

Description

熔石英元件的飞秒激光改性装置及其损伤点复合修复方法
技术领域
本发明涉及熔石英元件修复技术领域，具体涉及一种熔石英元件的飞秒激光改性装置及其损伤点复合修复方法。
背景技术
熔石英材料被广泛应用于强激光光学元件中，其在光学、热学及力学等方面优异的性能契合超高功率大型激光系统中楔形透镜、真空窗口与防溅射屏等元件的功能需求。但是在辐照激光通量不断提升的应用场景下，熔石英元件表面会产生损伤点，且在脉冲激光持续作用下，损伤点尺寸以指数级别迅速增长，限制了系统熔石英元件的运行通量，影响熔石英元件的寿命与激光系统的稳定运行。因此，需要针对熔石英元件表面的激光损伤点进行修复，消除或抑制损伤对元件的影响，从而延长熔石英元件的使用寿命，保障高能激光系统的稳定运行。
目前熔石英元件的修复技术主要集中于CO2激光熔融修复、CO2激光蒸发修复、飞秒激光加氢氟酸腐蚀等方法。其中，利用CO2激光熔融修复完成的熔石英元件在修复区域会遗留残余热应力，导致熔石英元件阈值降低；而利用CO2激光蒸发修复与利用飞秒激光加氢氟酸腐蚀的方法核心在于将损伤区域通过激光逐层扫描，从而将已损伤区域逐层地进行剥离，在损伤点尺寸增大时，需去除的部分体量以立方倍数增长，导致修复效率低下，难以满足应用需求。
解决以上问题成为当务之急。
发明内容
为解决以上的技术问题，本发明提供了一种熔石英元件的飞秒激光改性装置及其损伤点复合修复方法。
其技术方案如下：
一种熔石英元件的飞秒激光改性装置，其要点在于，包括飞秒激光器、快门、渐变滤光片、分束镜、功率计、置于Z轴位移调节台上的聚焦透镜、置于XY轴位移调节台上的样品台、用于向样品台上熔石英元件提供照明的照明光源、用于实时在线记录样品台上熔石英元件修复过程的成像系统以及用于控制快门、功率计、Z轴位移调节台、XY轴位移调节台、照明光源和成像系统的计算机；
所述飞秒激光器出射的飞秒激光依次经快门和渐变滤光片后由功率计一分为二，其中一路飞秒激光经聚焦透镜聚焦在样品台上的熔石英元件上，另外一路飞秒激光射向功率计。
采用以上结构，能够对熔石英元件需要进行修复的损伤点周围进行内部雕刻改性，整个过程仅需勾勒出需要去除的熔石英块体的轮廓即可，无需逐层扫描，作业效率高，操作简单便捷。
作为优选：所述飞秒激光器和快门之间设置有第一反射镜，所述快门和渐变滤光片之间设置有第二反射镜，所述飞秒激光器出射的飞秒激光依次经第一反射镜、快门、第二反射镜和渐变滤光片后射向渐变滤光片。采用以上结构，不仅能够改变飞秒激光的传递路径，而且使设备的整体结构更加紧凑。
作为优选：所述快门为机械快门。采用以上结构，工作稳定可靠，能够在高温环境下长时间拍摄，同时易于检修。
作为优选：所述成像系统为CCD相机。采用以上结构，工作稳定可靠，能够在高温环境下长时间拍摄。
一种熔石英元件的损伤点复合修复方法，其要点在于，按照以下步骤进行：
S1、测量熔石英元件的损伤点的位置、横向最大尺寸与纵向最大深度，并计算得到损伤点的径深比；
S2、利用熔石英元件的飞秒激光改性装置，对熔石英元件的损伤点周围进行内部雕刻改性，改性范围覆盖损伤点的横向最大尺寸与纵向最大深度；
S3、将改性完成的熔石英元件浸入化学改性池中的溶液中，直至完全去除熔石英元件改性范围内的块体；
S4、将熔石英元件从化学改性池中取出，并进行清洗和干燥。
采用以上方法，不仅能够快速去除包含损伤点的熔石英块体，对熔石英元件的损伤点进行复合修复，高效稳定，而且可以避免热应力的残留，不影响熔石英元件的阈值。
作为优选：所述步骤S1中，采用共聚焦显微镜和表面轮廓仪对熔石英元件表面的损伤点进行测量。采用以上方法，能够快速准确地确定改性范围。
作为优选，所述步骤S2包括以下步骤：
S21、将熔石英元件固定于样品台上；
S22、启动飞秒激光器，调节Z轴位移调节台，使聚焦透镜能够将飞秒激光聚焦在熔石英元件上；
S23、调节XY轴位移调节台，使飞秒激光辐照损伤点周围的改性范围，完成内部雕刻改性。
采用以上方法，能够高效地对熔石英元件需要进行修复的损伤点周围进行内部雕刻改性。
作为优选：所述步骤S3中，溶液为碱基溶液。采用以上方法，碱基溶液对熔石英元件的改性范围的腐蚀速率远高于未被改性部分，能够高效地整体去除改性范围的熔石英元件块体。
作为优选，所述步骤S4按照以下步骤进行：
S41、将熔石英元件从化学改性池中取出；
S42、利用去离子水清洗熔石英元件；
S43、利用酸性清洗剂清洗熔石英元件；
S44、利用去离子水超声清洗熔石英元件；
S45、自然晾干熔石英元件。
采用以上方法，能够彻底对熔石英元件进行清洗，防止残留，保证熔石英元件的性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
采用以上技术方案的熔石英元件的飞秒激光改性装置及其损伤点复合修复方法，先利用飞秒激光改性装置对熔石英元件需要去除的部分勾勒轮廓改性，再利用化学溶剂进行去除，不仅能够快速地去除包含损伤点的熔石英块体，完成对损伤点的复合修复，具有高效稳定的特点，而且可以避免热应力的残留，不影响熔石英元件的阈值。
附图说明
图1为熔石英元件的飞秒激光改性装置的示意图；
图2为熔石英元件勾勒改性范围的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种熔石英元件的飞秒激光改性装置，其主要包括飞秒激光器1、快门3、渐变滤光片5、分束镜6、功率计7、聚焦透镜8、成像系统9、样品台10、照明光源11、计算机12、Z轴位移调节台13和XY轴位移调节台14。
其中，聚焦透镜8设置在Z轴位移调节台13上，并能够在Z轴位移调节台13的控制下沿Z轴改变其位置。熔石英元件置于样品台10上，样品台10设置在XY轴位移调节台14上，并能够在XY轴位移调节台14的控制下沿X轴和Y轴改变其位置。照明光源11用于向样品台10上熔石英元件提供照明。成像系统9用于实时在线记录样品台10上熔石英元件的修复过程。计算机12与控制快门3、功率计7、成像系统9、照明光源11、Z轴位移调节台13和XY轴位移调节台14连接，计算机12用于控制快门3的打开与闭合、用于实时记录功率计7的读数、用于控制照明光源11的照明情况、用于与成像系统9连接实时监控修复过程以及用于设定Z轴位移调节台13和XY轴位移调节台14的调整路径。
本实施力中，飞秒激光器1和快门3之间设置有第一反射镜2，快门3和渐变滤光片5之间设置有第二反射镜4，飞秒激光器1出射的飞秒激光依次经第一反射镜2、快门3、第二反射镜4和渐变滤光片5后射向渐变滤光片5。并且，快门3优选采用机械快门，成像系统9优选采用CCD相机。
飞秒激光器1出射的飞秒激光依次经第一反射镜2、快门3、第二反射镜4和渐变滤光片5后由功率计7一分为二，其中一路飞秒激光经聚焦透镜8聚焦在样品台10上的熔石英元件上，另外一路飞秒激光射向功率计7。
请参见图1和图2，一种熔石英元件的损伤点复合修复方法，提供以下4个实施例。
实施例1，按照以下步骤进行：
S1、采用共聚焦显微镜和表面轮廓仪对熔石英元件表面的损伤点进行测量，测量熔石英元件的损伤点的位置、横向最大尺寸与纵向最大深度，并计算得到损伤点的径深比。具体地说，记录损伤点坐标、横向最大尺寸为1350微米与纵向最大深度为450微米。
S2、利用熔石英元件的飞秒激光改性装置，对熔石英元件的损伤点周围进行内部雕刻改性，改性范围覆盖损伤点的横向最大尺寸与纵向最大深度，具体地说，步骤S2包括以下步骤：
S21、将熔石英元件固定于样品台10上；
S22、启动飞秒激光器1，调节Z轴位移调节台13，使聚焦透镜8能够将飞秒激光聚焦在熔石英元件上；
S23、调节XY轴位移调节台14，使飞秒激光辐照损伤点周围的改性范围，完成内部雕刻改性。
具体改性工艺参数为：激光能量为10微焦耳、立体几何结构为圆柱体，底面半径为1毫米高为500微米。
S3、将改性完成的熔石英元件浸入化学改性池中的溶液中，直至完全去除熔石英元件改性范围内的块体，其中，溶液为碱基溶液。本实施例中，优选采用氢氧化钾溶液，氢氧化钾溶液对改性部分的腐蚀速率比其他部分的腐蚀速率快1000倍，能够将勾勒的块体整体去除。碱基溶液腐蚀的工艺参数为：58％氢氧化钾溶液，反应温度为室温，反应时间为100分钟。
S4、将熔石英元件从化学改性池中取出，并进行清洗和干燥。具体地说，步骤S4按照以下步骤进行：
S41、将熔石英元件从化学改性池中取出；
S42、利用去离子水清洗熔石英元件；
S43、利用酸性清洗剂清洗熔石英元件；
S44、利用去离子水超声清洗熔石英元件；
S45、自然晾干熔石英元件。
其中，步骤S42、步骤S43和步骤S44各5分钟。
实施例2，各主要步骤与实施例1一致，其区别在于：步骤S1中，记录损伤点坐标、横向最大尺寸为1450微米与纵向最大深度为460微米。步骤S2中，具体改性工艺参数为：激光能量为10微焦耳、立体几何结构为圆柱体，底面半径为1mm高为500微米。步骤S3中，碱基溶液腐蚀的工艺参数为：1％氢氧化钾溶液，反应温度为室温，反应时间为60分钟。
实施例3，各主要步骤与实施例1一致，其区别在于：步骤S1中，记录损伤点坐标、横向最大尺寸为1350微米与纵向最大深度为450微米。步骤S2中，具体改性工艺参数为：激光能量为10毫焦耳、立体几何结构为圆角矩形柱体，底面边长为2mm，圆角半径0.1mm，高为0.5mm。步骤S3中，碱基溶液腐蚀的工艺参数为：58％氢氧化钾溶液，反应温度为室温，反应时间为30分钟。
实施例4，各主要步骤与实施例1一致，其区别在于：步骤S1中，记录损伤点坐标、横向最大尺寸为1450微米与纵向最大深度为460微米。步骤S2中，具体改性工艺参数为：激光能量为10微焦耳、立体几何结构为圆角矩形柱体，底面边长为2mm，圆角半径0.1mm，高为0.5mm。步骤S3中，碱基溶液腐蚀的工艺参数为：1％氢氧化钾溶液，反应温度为室温，反应时间为60分钟。
实验表明本发明修复效率较高，具有高效、稳定的特点，熔石英元件的使用周期得到循环延长。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种熔石英元件的损伤点复合修复方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
S1、测量熔石英元件的损伤点的位置、横向最大尺寸与纵向最大深度，并计算得到损伤点的径深比；
S2、利用熔石英元件的飞秒激光改性装置，对熔石英元件的损伤点周围进行内部雕刻改性，改性范围覆盖损伤点的横向最大尺寸与纵向最大深度；
S3、将改性完成的熔石英元件浸入化学改性池中的溶液中，直至完全去除熔石英元件改性范围内的块体；
S4、将熔石英元件从化学改性池中取出，并进行清洗和干燥；
所述步骤S1中，采用共聚焦显微镜和表面轮廓仪对熔石英元件表面的损伤点进行测量；
所述步骤S2包括以下步骤：
S21、将熔石英元件固定于样品台（10）上；
S22、启动飞秒激光器（1），调节Z轴位移调节台（13），使聚焦透镜（8）能够将飞秒激光聚焦在熔石英元件上；
S23、调节XY轴位移调节台（14），使飞秒激光辐照损伤点周围的改性范围，完成内部雕刻改性；
所述步骤S3中，溶液为碱基溶液；
所述步骤S4按照以下步骤进行：
S41、将熔石英元件从化学改性池中取出；
S42、利用去离子水清洗熔石英元件；
S43、利用酸性清洗剂清洗熔石英元件；
S44、利用去离子水超声清洗熔石英元件；
S45、自然晾干熔石英元件；
步骤S1中，记录损伤点坐标、横向最大尺寸为1350微米与纵向最大深度为450微米；步骤S2中，改性工艺参数为：激光能量为10毫焦耳、立体几何结构为圆角矩形柱体，底面边长为2mm，圆角半径0.1mm，高为0.5mm；步骤S3中，碱基溶液腐蚀的工艺参数为：58%氢氧化钾溶液，反应温度为室温，反应时间为30分钟；
所述熔石英元件的飞秒激光改性装置包括飞秒激光器（1）、快门（3）、渐变滤光片（5）、分束镜（6）、功率计（7）、置于Z轴位移调节台（13）上的聚焦透镜（8）、置于XY轴位移调节台（14）上的样品台（10）、用于向样品台（10）上熔石英元件提供照明的照明光源（11）、用于实时在线记录样品台（10）上熔石英元件修复过程的成像系统（9）以及用于控制快门（3）、功率计（7）、Z轴位移调节台（13）、XY轴位移调节台（14）、照明光源（11）和成像系统（9）的计算机（12）；
所述飞秒激光器（1）出射的飞秒激光依次经快门（3）和渐变滤光片（5）后由分束镜（6）一分为二，其中一路飞秒激光经聚焦透镜（8）聚焦在样品台（10）上的熔石英元件上，另外一路飞秒激光射向功率计（7）；
所述飞秒激光器（1）和快门（3）之间设置有第一反射镜（2），所述快门（3）和渐变滤光片（5）之间设置有第二反射镜（4），所述飞秒激光器（1）出射的飞秒激光依次经第一反射镜（2）、快门（3）、第二反射镜（4）和渐变滤光片（5）后射向分束镜（6）；
所述快门（3）为机械快门；
所述成像系统（9）为CCD相机。
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