CN112723756A - 用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法，包括对损伤样件批量去除小损伤点；对批量去除小损伤点后的损伤样件进行表面质量和面形修复；针对完成表面质量和面形修复后的损伤样件进行单点修复未去除的大损伤点，得到修复完成的损伤样件。本发明通过去除小损伤缺陷、表面质量和面形恢复、修复大损伤缺陷三个步骤的组合，可实现大小损伤缺陷的去除，确保损伤样件的表面质量和面形，可有效提高熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的修复质量。

Description

用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法
技术领域
本发明属于光学材料与光学元件技术领域，具体涉及一种用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法。
背景技术
随着我国惯性约束聚变装置和高能激光武器迅速发展，我们对强光元件的需求量也日益增加。当前在强光系统下的光学元件无法避免地会强光致损现象，一旦损伤出现并生长，势必会导致系统无法继续正常工作。为提升元件使用寿命，保证整个系统稳定运行，对于损伤的修复或者抑制损伤缺陷增长的研究就至关重要。
目前针对熔石英元件表面损伤修复的方法有很多，其中以CO2激光修复技术最为有效可靠，并得到了广泛的研究和发展。公布号为CN 105948519的中国专利文献中公开了一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，其中提到了使用飞秒激光对熔石英表面损伤缺陷进行无热效应修复，极大减少了熔石英在激光修复后产生的热应力致变形，提升了修复后的表面质量。但目前这类方法只采用CO2激光、飞秒激光等技术修复大尺寸损伤缺陷，对于集群类小尺寸损伤缺陷不做处理。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法，本发明通过去除小损伤缺陷、表面质量和面形恢复、修复大损伤缺陷三个步骤的组合，可实现大小损伤缺陷的去除，确保损伤样件的表面质量和面形，可有效提高熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的修复质量。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法，包括：
1)对损伤样件批量去除小损伤点；
2)对批量去除小损伤点后的损伤样件进行表面质量和面形修复；
3)针对完成表面质量和面形修复后的损伤样件进行单点修复未去除的大损伤点，得到修复完成的损伤样件。
可选地，步骤1)包括：
1.1)对损伤样件进行损伤检测分析得到满足修复要求的最小去除深度；
1.2)采用磁流变均匀去除第一指定深度，第一指定深度小于最小去除深度；
1.3)采用小磨头光顺抛光去除第二指定深度，第二指定深度小于第一指定深度；
1.4)判断损伤样件的损伤点去除效率达到最小去除深度的预设比例是否成立，若成立则跳转执行步骤2)；否则，跳转执行步骤1.2)。
可选地，步骤1.1)包括：对损伤样件进行初始损伤缺陷尺寸数量分布进行统计，得到初始损伤缺陷尺寸数量分布；使用磁流变均匀去除1μm后再次对损伤缺陷的尺寸数量分布进行统计，得到磁流变均匀去除1μm后的损伤缺陷尺寸数量分布；将初始损伤缺陷尺寸数量分布、磁流变均匀去除1μm后的损伤缺陷尺寸数量分布作为神经网络预测模型的输入得到损伤样件各去除深度的损伤缺陷分布情况，根据损伤样件各去除深度的损伤缺陷分布情况得到满足修复要求的最小去除深度；所述神经网络预测模型被预先训练建立了作为输入的初始损伤缺陷尺寸数量分布和磁流变均匀去除1μm后的损伤缺陷尺寸数量分布、作为输出的各去除深度的损伤缺陷分布情况之间的映射关系。
可选地，步骤1.3)采用小磨头光顺抛光去除第二指定深度时，抛光过程开公转且选用大磨粒，所述大磨粒是指粒径大于预设阈值的磨粒。
可选地，步骤1.4)中跳转执行步骤1.2)之前还包括减少第一指定深度和第二指定深度。
可选地，步骤2)包括：
2.1)对批量去除小损伤点后的损伤样件进行磁流变修型；
2.2)对磁流变修型后的损伤样件采用小磨头光顺抛光，使得表面粗糙度优于1nm；
2.3)判断损伤样件的面形精度优于λ/4是否成立，其中λ为波长，若成立则跳转执行步骤3)；否则，跳转执行步骤2.1)。
可选地，步骤2.2)对磁流变修型后的损伤样件采用小磨头光顺抛光时使用小磨粒，且不开公转以减小对面形的破坏、提高表面质量。
可选地，步骤2)之后、步骤3)之前还包括针对完成表面质量和面形修复后的损伤样件进行碱洗的步骤。
可选地，步骤3)中针对完成表面质量和面形修复后的损伤样件进行单点修复未去除的大损伤点时，采用的工艺为CO2激光单点修复技术，且所述CO2激光单点修复技术采取指定大小的占空比能量进行多次扫描来修复大尺寸损伤缺陷。
可选地，步骤3)中针对完成表面质量和面形修复后的损伤样件进行单点修复未去除的大损伤点时，采用的工艺为飞秒激光修复技术或等离子体刻蚀技术。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法包括对损伤样件批量去除小损伤点，对批量去除小损伤点后的损伤样件进行表面质量和面形修复，针对完成表面质量和面形修复后的损伤样件进行单点修复未去除的大损伤点，得到修复完成的损伤样件，通过去除小损伤缺陷、表面质量和面形恢复、修复大损伤缺陷三个步骤的组合，可实现大小损伤缺陷的去除，确保损伤样件的表面质量和面形，可有效提高熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的修复质量。而且，本发明增加了磁流变去除小损伤缺陷这个步骤，可以对损伤样件实现整体的修复，从而进一步减少修复后元件的表面缺陷，延长其使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例中损伤样件的实物图和显微图像，其中子图(a)为实物图，子图(b)为显微图像。
图3为本发明实施例中损伤样件的表面缺陷统计图，其中柱状图左为初始表面缺陷统计图，右为使用磁流变去除1μm后的表面缺陷统计图。
图4为本发明实施例中损伤样件的去除深度预测分布图。
图5为本发明实施例中损伤样件小损伤缺陷去除前后暗场图像，其中子图(a)为初始的暗场图像，子图(b)为小损伤缺陷去除后的暗场图像。
图6为本发明实施例中损伤样件磁流变去除前后各尺寸损伤缺陷数量，其中柱状图左为损伤样件磁流变去除前，右为损伤样件磁流变去除后。
图7为本发明实施例中损伤样件表面质量恢复后的面型。
图8为本发明实施例中损伤样件表面质量恢复后的表面粗糙度(RMS)。
图9为本发明实施例中损伤样件CO2激光修复前后形貌对比，其中子图(a)为CO2激光修复前的形貌，子图(b)为CO2激光修复后的形貌。
图10为本发明实施例中损伤样件整体修复工艺前后暗场图像，其中子图(a)为初始的暗场图像，子图(b)为小损伤缺陷去除后的暗场图像，子图(c)为CO2激光修复后的暗场图像。
图11为本发明实施例中修复完成后的损伤样件的实物图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法包括：
1)对损伤样件批量去除小损伤点；
2)对批量去除小损伤点后的损伤样件进行表面质量和面形修复(参见图1，本实施例中简称为保型、保性组合修改工艺)；
3)针对完成表面质量和面形修复后的损伤样件进行单点修复未去除的大损伤点，得到修复完成的损伤样件。
本实施例中，步骤1)包括：
1.1)对损伤样件进行损伤检测分析得到满足修复要求的最小去除深度；
1.2)采用磁流变均匀去除第一指定深度，第一指定深度小于最小去除深度；
1.3)采用小磨头光顺抛光去除第二指定深度，第二指定深度小于第一指定深度；
1.4)判断损伤样件的损伤点去除效率达到最小去除深度的预设比例是否成立，若成立则跳转执行步骤2)；否则，跳转执行步骤1.2)。
本实施例中，步骤1.1)包括：对损伤样件进行初始损伤缺陷尺寸数量分布进行统计，得到初始损伤缺陷尺寸数量分布；使用磁流变均匀去除1μm后再次对损伤缺陷的尺寸数量分布进行统计，得到磁流变均匀去除1μm后的损伤缺陷尺寸数量分布；将初始损伤缺陷尺寸数量分布、磁流变均匀去除1μm后的损伤缺陷尺寸数量分布作为神经网络预测模型的输入得到损伤样件各去除深度的损伤缺陷分布情况，根据损伤样件各去除深度的损伤缺陷分布情况得到满足修复要求的最小去除深度；所述神经网络预测模型被预先训练建立了作为输入的初始损伤缺陷尺寸数量分布和磁流变均匀去除1μm后的损伤缺陷尺寸数量分布、作为输出的各去除深度的损伤缺陷分布情况之间的映射关系。
本实施例中，步骤1.3)采用小磨头光顺抛光去除第二指定深度时，抛光过程开公转且选用大磨粒，所述大磨粒是指粒径大于预设阈值的磨粒。
本实施例中，步骤1.4)中跳转执行步骤1.2)之前还包括减少第一指定深度和第二指定深度。例如本实施例中，第一轮迭代时步骤1.2)中的第一指定深度为4μm，步骤1.3)中的第二指定深度为700nm；第二轮迭代时步骤1.2)中的第一指定深度为3μm，步骤1.3)中的第二指定深度为500nm；第三轮迭代时步骤1.2)中的第一指定深度为2μm，步骤1.3)中的第二指定深度为300nm。需要说明的是，第一指定深度和第二指定深度的减少量既可以根据需要此采用相同变化量，也可以根据需要采用不同变化量。
参见上文可知，步骤1)批量去除小损伤缺陷阶段又分为损伤缺陷检测分析和损伤缺陷均匀去除两个阶段。在损伤缺陷检测分析阶段，首先对损伤样件进行初始损伤缺陷尺寸数量分布进行统计，由于不同损伤样件各尺寸损伤缺陷的分布不相同，损伤缺陷的深度分布也不一致，此时使用磁流变均匀去除1μm后再次对损伤缺陷的尺寸数量分布进行统计，将两次统计结果作为神经网络预测模型的输入用于预测该样件各去除深度的损伤缺陷分布情况，此时就可以得到满足我们修复要求的最小去除深度。在损伤缺陷去除阶段，如果使用磁流变一次性去除，损伤缺陷处产生的拖尾将极大得影响表面质量，并且大尺寸损伤缺陷得拖尾在后续工艺中也很难去除，因而采用磁流变与CCOS小磨头相组合的方式进行去除，初始迭代时，磁流变去除4μm，使用CCOS小磨头抛光700nm，CCOS抛光过程开公转，选用大磨粒来提高效率，如次循环直至达到相应的去除深度。
本实施例中，实验的损伤样件如图2中子图(a)所示，该损伤样件为50*50mm的熔石英损伤样件，直接可以观察到元件表面存在3个大尺寸损伤缺陷，通过显微镜观察的局部图像如图2中子图(b)所示，该样件表面较小尺寸损伤缺陷比较密集，目前所使用的CO2激光单点修复技术对于这种数量多、尺寸小、分布密集的损伤缺陷无法处理。步骤1)中首先对元件初始损伤进行分析，图3是通过疵病仪对元件表面初始和使用磁流变去除1μm后的缺陷和损伤缺陷进行统计，由于该样件大尺寸损伤缺陷较小，此时只需要考虑对于小尺寸损伤缺陷的去除率即可，图4是通过神经网络算法预测损伤缺陷数量变化趋势，当去除深度达到5.65μm，对于小尺寸损伤缺陷的去除效率可达到90％。从损伤缺陷去除角度来看，图5是损伤样件磁流变去除前后的暗场图像对比，图6是对各尺寸损伤缺陷进行的统计，大体上可以观察到，磁流变去除后，疵病缺陷明显减少，尤其是对于尺寸小于50μm的损伤缺陷，去除效率达到了90％。
本实施例中，步骤2)包括：
2.1)对批量去除小损伤点后的损伤样件进行磁流变修型；
2.2)对磁流变修型后的损伤样件采用小磨头光顺抛光，使得表面粗糙度优于1nm；
2.3)判断损伤样件的面形精度优于λ/4是否成立，其中λ为波长，若成立则跳转执行步骤3)；否则，跳转执行步骤2.1)。
本实施例中，步骤2.2)对磁流变修型后的损伤样件采用小磨头光顺抛光时使用小磨粒，且不开公转以减小对面形的破坏、提高表面质量。
参见上文可知，步骤2)主要包括低频面形误差的修复和表面粗糙度的恢复，根据修复要求，元件在修复完后其面形精度应由于1/4λ，表面粗糙度优于1nm，而在上一阶段磁流变去除量较大，小磨头(CCOS)抛光也会对面形有一定程度的破坏，面形精度不能达到要求，此时可使用磁流变修形来提升面形精度，使用CCOS抛光来提升表面粗糙度，在CCOS抛光时需要使用小磨粒，不开公转来减小对面形的破坏，提高表面质量。
本实施例中，为恢复元件的低频面形精度和表面粗糙度，采用磁流变与CCOS相结合的方式对元件进行修形和表面粗糙度的恢复，此时CCOS小磨头技术采用自开自转、选用0.5μm粒径的氧化铈进行。图7和图8是表面质量恢复后的面形和表面粗糙度数据，其中面形精度达到了0.26λ，RMS值达到了0.8nm，基本上已经达到了修复要求。
本实施例中，步骤2)之后、步骤3)之前还包括针对完成表面质量和面形修复后的损伤样件进行碱洗的步骤。
本实施例中，步骤3)中针对完成表面质量和面形修复后的损伤样件进行单点修复未去除的大损伤点时，采用的工艺为CO2激光单点修复技术，且所述CO2激光单点修复技术采取指定大小的占空比能量进行多次扫描来修复大尺寸损伤缺陷。步骤3)主要是针对磁流变没有去除掉的大尺寸损伤缺陷，如果激光越高，产生的边缘凸起也会越严重，因此本实施例中具体采取35％占空比的能量进行10次扫描来修复大尺寸损伤缺陷。毫无疑问，占空比、扫描次数可以根据需要设定，其中扫描次数一般可取大于3的整数。
本实施例中，步骤3)最后使用CO2激光修复技术对剩下未去除的3个大损伤缺陷进行单点修复，扫描路径为多层圆环，光斑重叠率为50％，激光频率为10Hz，扫描速度100mm/s，占空比35％，扫描次数10次，图9是大尺寸损伤缺陷修复位置前后的对比图。图10是每个阶段修复后元件的暗场图像，图11是修复完成后的实物照片，通过对比可以发现，采用本实施例用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法修复后的暗场图像基本上没有损伤缺陷。
综上所述，本实施例用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法包括对损伤样件批量去除小损伤点，对批量去除小损伤点后的损伤样件进行表面质量和面形修复，针对完成表面质量和面形修复后的损伤样件进行单点修复未去除的大损伤点，得到修复完成的损伤样件，通过去除小损伤缺陷、表面质量和面形恢复、修复大损伤缺陷三个步骤的组合，三个步骤的排序是因为目前主流修复方法只修复大损伤缺陷，而此本实施例在考虑小损伤缺陷仍会对抗激光损伤性能造成影响，针对其提出了一种新型修复工艺。优先修复小损伤缺陷再修复大损伤缺陷的原因其一是小损伤缺陷数量多、尺寸小，需要全面修复，而针对大损伤缺陷通常是局部激光修复，不会对前置工艺产生影响。其二是小损伤缺陷的修复工艺去除量较小，只有几十微米，这种去除量对大损伤缺陷的后续修复不会造成影响。但针对大损伤缺陷的修复是在百微米级的局部去除，也就是说后续如果再进行磁流变修复仍会造成严重影响。实验发现因为使用磁流变去除小损伤缺陷会导致表面质量降低，因此才有了使用CCOS进行表面质量和面形恢复这一步。本实施例用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法使用磁流变技术可以实现对损伤样件表面小尺寸损伤缺陷的整体去除，损伤缺陷的去除率可达到90％。使用CCOS小磨头技术能够修复磁流变加工引入的中频误差，消除损伤缺陷引起的拖尾，保证元件表面粗糙度优于1nm。使用磁流变修形与CCOS组合工艺能够有效控制元件的面形精度，可以使其面形精度优于1/4λ。磁流变与CCOS小磨头的组合工艺后不会对CO2激光修复产生不良影响，还可以较大地减少因CO2激光修复产生的遮光面积。因此，本实施例用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法可实现大小损伤缺陷的去除，确保损伤样件的表面质量和面形，可有效提高熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的修复质量。
此外，步骤3)中针对完成表面质量和面形修复后的损伤样件进行单点修复未去除的大损伤点时，采用的工艺也可以采用飞秒激光修复技术或等离子体刻蚀技术，需要说明的是，飞秒激光修复技术或等离子体刻蚀技术均为现有技术，本实施例中仅仅涉及对飞秒激光修复技术或等离子体刻蚀技术的应用，并不涉及对飞秒激光修复技术或等离子体刻蚀技术的改进，故其具体实现方法细节在此不再展开说明。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法，其特征在于，包括：
1)对损伤样件批量去除小损伤点；
2)对批量去除小损伤点后的损伤样件进行表面质量和面形修复；
3)针对完成表面质量和面形修复后的损伤样件进行单点修复未去除的大损伤点，得到修复完成的损伤样件。
2.根据权利要求1所述的用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法，其特征在于，步骤1)包括：
1.1)对损伤样件进行损伤检测分析得到满足修复要求的最小去除深度；
1.2)采用磁流变均匀去除第一指定深度，第一指定深度小于最小去除深度；
1.3)采用小磨头光顺抛光去除第二指定深度，第二指定深度小于第一指定深度；
1.4)判断损伤样件的损伤点去除效率达到最小去除深度的预设比例是否成立，若成立则跳转执行步骤2)；否则，跳转执行步骤1.2)。
3.根据权利要求2所述的用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法，其特征在于，步骤1.1)包括：对损伤样件进行初始损伤缺陷尺寸数量分布进行统计，得到初始损伤缺陷尺寸数量分布；使用磁流变均匀去除1μm后再次对损伤缺陷的尺寸数量分布进行统计，得到磁流变均匀去除1μm后的损伤缺陷尺寸数量分布；将初始损伤缺陷尺寸数量分布、磁流变均匀去除1μm后的损伤缺陷尺寸数量分布作为神经网络预测模型的输入得到损伤样件各去除深度的损伤缺陷分布情况，根据损伤样件各去除深度的损伤缺陷分布情况得到满足修复要求的最小去除深度；所述神经网络预测模型被预先训练建立了作为输入的初始损伤缺陷尺寸数量分布和磁流变均匀去除1μm后的损伤缺陷尺寸数量分布、作为输出的各去除深度的损伤缺陷分布情况之间的映射关系。
4.根据权利要求3所述的用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法，其特征在于，步骤1.3)采用小磨头光顺抛光去除第二指定深度时，抛光过程开公转且选用大磨粒，所述大磨粒是指粒径大于预设阈值的磨粒。
5.根据权利要求4所述的用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法，其特征在于，步骤1.4)中跳转执行步骤1.2)之前还包括减少第一指定深度和第二指定深度。
6.根据权利要求1所述的用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法，其特征在于，步骤2)包括：
2.1)对批量去除小损伤点后的损伤样件进行磁流变修型；
2.2)对磁流变修型后的损伤样件采用小磨头光顺抛光，使得表面粗糙度优于1nm；
2.3)判断损伤样件的面形精度优于λ/4是否成立，其中λ为波长，若成立则跳转执行步骤3)；否则，跳转执行步骤2.1)。
7.根据权利要求6所述的用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法，其特征在于，步骤2.2)对磁流变修型后的损伤样件采用小磨头光顺抛光时使用小磨粒，且不开公转以减小对面形的破坏、提高表面质量。
8.根据权利要求1所述的用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法，其特征在于，步骤2)之后、步骤3)之前还包括针对完成表面质量和面形修复后的损伤样件进行碱洗的步骤。
9.根据权利要求1所述的用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法，其特征在于，步骤3)中针对完成表面质量和面形修复后的损伤样件进行单点修复未去除的大损伤点时，采用的工艺为CO2激光单点修复技术，且所述CO2激光单点修复技术采取指定大小的占空比能量进行多次扫描来修复大尺寸损伤缺陷。
10.根据权利要求1所述的用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法，其特征在于，步骤3)中针对完成表面质量和面形修复后的损伤样件进行单点修复未去除的大损伤点时，采用的工艺为飞秒激光修复技术或等离子体刻蚀技术。
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