CN114264640B - 一种紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

一种紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷检测方法，它属于工程光学领域。本发明为解决现有技术中缺乏有效的微观光伤点缺陷精确辨识与检测方法的问题，本发明包括如下步骤：步骤一、确定元件加工表面尺寸最大的表面结构缺陷并完成定位；步骤二、获取步骤一定位的缺陷受不同波长激发光作用下产生的荧光发射光谱峰值强度，确定峰值强度最高的激发光波长为最佳激发光波长；步骤三、确定最佳缺陷位置；步骤四、对最佳缺陷位置受激发产生的荧光发射光谱进行高斯谱线拟合分析，确定微观光伤点缺陷的种类和权重大小；步骤五、建立元件加工表面缺陷区微观光伤点缺陷之间的演变规律及对步骤四的结果进行验证。

Description

一种紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷检测方法

技术领域

本发明属于工程光学领域，具体涉及一种紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷检测方法。

背景技术

紫外光学元件凭借自身优异的光学性能已成为激光驱动惯性约束核聚变装置(Inertial Confinement Fusion，ICF)中应用最广泛的元件之一。然而，由于紫外光学元件多具有易脆特性(如KDP晶体和熔融石英)，在加工过程中因机械力的作用，会不可避免地在紫外光学元件表面引入凹坑、裂纹和划痕等多种表面结构缺陷。这些表面结构缺陷极大地影响了紫外光学元件的使用寿命和抗激光损伤能力从而限制ICF装置输出能流密度的提升，极大阻碍了可控核聚变领域的发展。

现阶段国内外普遍认为，紫外光学元件超精密加工表面缺陷区伴随产生的脆性破裂点是造成光学元件在ICF强激光服役条件下发生激光损伤的主要原因。而脆性破裂点附近往往存在因加工过程中机械力作用而形成的大量空位、位错等微观点缺陷，这些微观点缺陷会改变光学材料对入射激光的吸收特性，从而影响紫外光学元件的抗激光损伤能力。因此，在国内外一些报道中，紫外光学元件加工表面形成的局部微观点缺陷甚至被视为引发强激光损伤、降低光学元件激光损伤阈值的损伤前驱体(亦称为“光伤点缺陷”)。在紫外光学元件实际工程应用中，实现加工表面局部微观光伤点缺陷的精确辨识与表征，对紫外光学元件加工表面光伤点缺陷的抑制与控制，并提升紫外光学元件在强激光极端服役条件下的抗激光损伤能力具有重要的工程实用价值。然而目前对紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷的种类及其含量的相关研究却鲜有报道，缺乏有效的微观光伤点缺陷精确辨识与检测方法。

发明内容

本发明为解决现有技术中缺乏有效的微观光伤点缺陷精确辨识与检测方法的问题，本发明提供一种紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷检测方法，能够精确地获得紫外光学元件加工表面的微观光伤点缺陷种类及其权重大小。

本发明所采用的技术方案为：一种紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷检测方法，具体按如下步骤进行的：

步骤一、对紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷进行离线检测，确定紫外光学元件加工表面尺寸最大的表面结构缺陷；

步骤二、采用光致荧光探测实验，获取步骤一确定的最大表面结构缺陷受不同波长激发光作用下产生的荧光发射光谱峰值强度，确定产生峰值强度最高的激发光波长为最佳激发光波长；

步骤三、采用步骤二确定的最佳波长激发光进行光致荧光扫描探测实验，对步骤一确定的最大表面结构缺陷进行全范围扫描采样，确定该最大表面结构缺陷受激发产生荧光发射光谱峰值强度最高的位置为最佳缺陷位置，并获得所述最佳缺陷位置受激发产生的荧光发射光谱；

步骤四、对步骤三获得的最佳缺陷位置受激发产生的荧光发射光谱进行高斯谱线拟合分析，将光谱拟合为若干个高斯荧光光谱，每个高斯荧光光谱均对应一种微观光伤点缺陷，通过探究不同微观光伤点缺陷对应的高斯荧光光谱峰值位置信息，确定微观光伤点缺陷种类；通过探究不同微观光伤点缺陷对应的高斯荧光光谱的包络面积，确定微观光伤点缺陷的权重大小；

步骤五、依据步骤四的微观光伤点缺陷种类和权重大小，建立紫外光学元件加工表面缺陷区微观光伤点缺陷之间的演变规律。

进一步地所述紫外光学元件为熔融石英光学元件。

进一步地在步骤一中，采用超景深三维立体成像系统对熔融石英光学元件加工表面进行检测。

进一步地在步骤二中，确定的最佳激发光波长为440nm。

进一步地在步骤三中，确定的最佳缺陷位置为该缺陷中心位置。

进一步地在步骤四中，分析得到7种微观光伤点缺陷，分别为E’心缺陷、ODCII缺陷、POR缺陷、NBOHCI缺陷、POL缺陷、NBOHCII缺陷、Si纳米团簇。

进一步地7种微观光伤点缺陷的权重大小分别为E’心缺陷42.41％、ODCII缺陷6.74％、POR缺陷23.54％、NBOHCI缺陷7.32％、POL缺陷6.92％、NBOHCII缺陷12.35％、Si纳米团簇0.72％。

进一步地在步骤五中，微观光伤点缺陷之间的演变规律包括E’心缺陷衍生的缺陷族和NBOHCI缺陷衍生的缺陷族，所述E’心缺陷衍生的缺陷族包括E’心缺陷和ODCII缺陷，所述NBOHCI缺陷衍生的缺陷族包括NBOHCI缺陷、NBOHCII缺陷、POL缺陷和POR缺陷。

进一步地根据Si-O键断裂将产生同等数量的E’心缺陷和NBOHCI缺陷对发明进行验证，具体为通过各微观光伤点缺陷的相对含量，确定E’心缺陷族相对含量为250323；NBOHCI缺陷族相对含量为255559；二者之间相对误差仅为2.09％，误差较小，验证了本发明方法得到的微观光伤点缺陷种类、权重大小的正确性。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：一、由于紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷极大地改变紫外光学元件加工表面的激光吸收特性，成为诱发激光损伤的发起点；本发明深入研究紫外光学元件加工表面的微观光伤点缺陷，为根本上提升紫外光学元件加工表面的抗激光损伤能力提供依据；二、紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷团簇中表面微观光伤点缺陷的权重极大影响紫外光学元件加工表面的激光吸收特性及其抗激光损伤能力；本发明解决了现有技术无法定量表征紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷的问题，本发明精确地获得紫外光学元件加工表面的微观光伤点缺陷种类及其权重大小；三、本发明建立不同紫外光学元件加工表面的微观光伤点缺陷之间的演变规律；获得不同紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷的权重关联关系；本发明通过不同紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷的权重关联关系验证紫外光学元件加工表面的微观光伤点缺陷权重大小及其演变规律，进一步验证本发明方法的准确性。

附图说明

图1是紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷检测方法流程图；

图2是熔融石英光学元件加工表面结构缺陷表面形貌图；

图3是不同波长激发光作用下熔融石英光学元件加工表面缺陷区受激发产生的荧光发射光谱峰值强度随激发光波长变化的图谱；

图4是熔融石英元件加工表面缺陷各处受激发产生的可见光波段荧光发射光谱；

图5是熔融石英元件加工表面缺陷各处受激发产生的近红外波段荧光发射光谱；

图6是高斯谱线拟合的熔融石英光学元件加工表面缺陷中心受激发产生的可见光和近红外波段荧光发射光谱以及微观光伤点缺陷种类及权重大小示意图；

图7是熔融石英光学元件加工表面缺陷区微观光伤点缺陷演变关系示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，应当说明的是，实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，该类方位名词不构成对本发明的限制。

在本发明的描述中，应当说明的是，在本发明的实施例中所提到的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，并不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例1：步骤一、对熔融石英光学元件加工表面微观光伤点缺陷进行离线检测；

如图2所示，采用超景深三维立体成像系统对熔融石英光学元件加工表面进行检测，确定熔融石英光学元件加工表面上尺寸最大的表面结构缺陷；

由于紫外光学元件加工表面缺陷区脆性破裂点密度往往与紫外光学元件加工表面结构缺陷尺寸呈正相关，因此选取该缺陷为研究对象，便于后续的光致荧光实验中获取强度高、特征显著的荧光发射光谱。

步骤二、确定最佳激发光波长，在该波长激发光作用下获得可见光波段与近红外波段的荧光发射光谱具有最高的峰值强度；

如图3所示，对步骤一确定的熔融石英光学元件加工表面缺陷区采用变波长光致荧光探测实验，当光致荧光探测实验的激发光波长为440nm时，所探测熔融石英光学元件加工表面缺陷区受激发产生的可见光波段和近红外波段荧光发射光谱峰值强度均达到最高，因此，确定最佳激发光波长为440nm。

步骤三、确定步骤一选取的熔融石英光学元件加工表面缺陷区受激发产生的荧光发射光谱峰值强度最高的位置；

如图4和图5所示，采用光致荧光扫描探测法，采用步骤二确定的440nm激发光，对步骤一确定的熔融石英光学元件加工表面缺陷区进行全范围扫描采样。结果显示，可见光波段，缺陷中心受激发产生的荧光发射光谱峰值强度最高；近红外波段，缺陷中心与缺陷非中心区受激发产生的荧光发射光谱峰值强度相当，因此确定该熔融石英光学元件加工表面缺陷中心为受激发产生的荧光发射光谱峰值强度最高的位置，并获得所述缺陷中心受激发产生的荧光发射光谱如图4a)和图5a)所示。

本操作是由于缺陷区包络直径为112.8μm，而激发光子面积为3μm，因此缺陷区各处差异较大，选择一个受激发产生的荧光发射光谱峰值强度最高的位置进行研究。

步骤四、对步骤三获得的熔融石英光学元件加工表面缺陷中心的荧光发射光谱进行高斯谱线拟合分析，确定熔融石英光学元件加工表面缺陷中心的微观光伤点缺陷的种类和权重大小；

如图6所示，对步骤三获得的熔融石英光学元件加工表面缺陷中心的荧光发射光谱进行高斯谱线拟合，即通过高斯拟合数学工具将荧光发射光谱拟合为若干个高斯荧光光谱，每个高斯荧光光谱均与一种加工表面微观光伤点缺陷有关，根据微观光伤点缺陷特征信息，通过探究不同微观光伤点缺陷对应的峰位信息，确定7种熔融石英光学元件加工表面缺陷中心微观光伤点缺陷的种类；通过探究不同微观光伤点缺陷对应的高斯谱线包络面积，确定了熔融石英光学元件加工表面缺陷中心各微观光伤点缺陷的权重大小。

步骤五、依据步骤四获得的微观光伤点缺陷的种类和权重大小，建立熔融石英光学元件加工表面缺陷区微观光伤点缺陷之间的演变规律。

如图7所示，根据现有点缺陷特征信息及演变规律建立熔融石英光学元件加工表面缺陷区微观光伤点缺陷之间的演变规律；Si纳米团簇通常是因熔融石英加工过程中引入杂质而产生，其性质稳定且不易与其他点缺陷发生相互转化。熔融石英光学元件加工表面缺陷区在机械力作用下将诱导Si-O键断裂，而Si-O键断裂将产生同等数量的E’心缺陷和NBOHCI缺陷；虽然E’心缺陷可在机械力作用下再次诱导Si-O键断裂从而转化为ODCII缺陷，同时NBOHCI缺陷亦可转化为POL缺陷、NBOHCII缺陷和POR缺陷；E’心缺陷衍生的缺陷族(包括E’心缺陷和ODCII缺陷)数量与NBOHCI缺陷衍生的缺陷族(包括NBOHCI缺陷、NBOHCII缺陷、POL缺陷和POR缺陷)数量应大致相当。因此，分别计算E’心缺陷族荧光强度总数与NBOHCI缺陷族荧光强度总数并进行对比；同时，在计算NBOHCI族缺陷数量时，NBOHCI缺陷、NBOHCII缺陷、POL缺陷、POR缺陷之间存在非等量相互转化，例如1个POL缺陷可由两个NBOHCI缺陷转化而成；因此，在计算NBOHCI缺陷族数量时，应考虑NBOHCI族微观光伤点缺陷之间的非等量转化。

对本发明方法得到的微观光伤点缺陷种类、权重大小结果的正确性进行验证：

根据Si-O键断裂将产生同等数量的E’心缺陷和NBOHCI缺陷，通过高斯拟合数学工具获得的各微观光伤点缺陷的相对含量，E’心缺陷族相对含量＝189991(E’心缺陷：在机械外力作用下，生成一个E’心缺陷的同时会产生一个NBOHCI缺陷)+30166×2(ODCII缺陷：在机械外力作用下，生成一个ODCII缺陷的同时会产生两个NBOHCI缺陷)＝250323；NBOHCI缺陷族相对含量＝105457(POR缺陷)+32781(NBOHCI缺陷)+55337(NBOHCII缺陷)+30992×2(POL缺陷)＝255559；二者之间相对误差仅为2.09％，误差较小，验证了本发明方法得到的微观光伤点缺陷种类、权重大小的正确性。

因为在机械外力的作用下诱导硅氧键断裂会产生成对的基本点缺陷即E’心缺陷和NBOHCI点缺陷。但E’心缺陷和NBOHCI点缺陷将演变转化为其他点缺陷，因此，可分为E’心缺陷族和NBOHCI缺陷族。本方法通过以NBOHCI缺陷作为参照，将所有点缺陷数量(E’心缺陷族和NBOHCI缺陷族)转化为与NBOHCI点缺陷相关的数量来进行对比。例如1个E’心缺陷的产生往往伴随1个NBOHCI缺陷的产生，那么在计算E’心缺陷部分时就×1，而产生1个ODCII缺陷，则会伴随着产生2个NBOHCII缺陷；第一次产生E’心产生1个NBOHCI缺陷，再进一步生成ODCII缺陷又产生一个NBOHCI缺陷。因此一个ODCII缺陷对应2个NBOHCI缺陷。而其他点缺陷均与NBOHCI缺陷有关，亦可转化为与NBOHCI缺陷有关的量。例如1个NBOHCI缺陷可以转化为1个POR缺陷，那么在计算POR部分时应×1，2个NBOHCI缺陷可以转化为1个POL缺陷，那么在计算POL缺陷部分时就应×2。

Claims (9)

1.一种紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷检测方法，其特征在于所述方法是按如下步骤进行的：

步骤一、对紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷进行离线检测，确定紫外光学元件加工表面尺寸最大的表面结构缺陷；

步骤二、采用光致荧光探测实验，获取步骤一确定的最大表面结构缺陷受不同波长激发光作用下产生的荧光发射光谱峰值强度，确定产生峰值强度最高的激发光波长为最佳激发光波长；

步骤三、采用步骤二确定的最佳波长激发光进行光致荧光扫描探测实验，对步骤一确定的最大表面结构缺陷进行全范围扫描采样，确定该最大表面结构缺陷受激发产生荧光发射光谱峰值强度最高的位置为最佳缺陷位置，并获得所述最佳缺陷位置受激发产生的荧光发射光谱；

步骤四、对步骤三获得的最佳缺陷位置受激发产生的荧光发射光谱进行高斯谱线拟合分析，将光谱拟合为若干个高斯荧光光谱，每个高斯荧光光谱均对应一种微观光伤点缺陷，通过探究不同微观光伤点缺陷对应的高斯荧光光谱峰值位置信息，确定微观光伤点缺陷种类；通过探究不同微观光伤点缺陷对应的高斯荧光光谱的包络面积，确定微观光伤点缺陷的权重大小；

步骤五、依据步骤四的微观光伤点缺陷种类和权重大小，建立紫外光学元件加工表面缺陷区微观光伤点缺陷之间的演变规律。

2.根据权利要求1所述的一种紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷检测方法，其特征在于所述紫外光学元件为熔融石英光学元件。

3.根据权利要求2所述的一种紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷检测方法，其特征在于在步骤一中，采用超景深三维立体成像系统对熔融石英光学元件加工表面进行检测。

4.根据权利要求3所述的一种紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷检测方法，其特征在于在步骤二中，确定的最佳激发光波长为440nm。

5.根据权利要求4所述的一种紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷检测方法，其特征在于在步骤三中，确定的最佳缺陷位置为该缺陷中心位置。

6.根据权利要求5所述的一种紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷检测方法，其特征在于在步骤四中，分析得到7种微观光伤点缺陷，分别为E’心缺陷、ODCII缺陷、POR缺陷、NBOHCI缺陷、POL缺陷、NBOHCII缺陷、Si纳米团簇。

7.根据权利要求6所述的一种紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷检测方法，其特征在于7种微观光伤点缺陷的权重大小分别为E’心缺陷42.41％、ODCII缺陷6.74％、POR缺陷23.54％、NBOHCI缺陷7.32％、POL缺陷6.92％、NBOHCII缺陷12.35％、Si纳米团簇0.72％。

8.根据权利要求7所述的一种紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷检测方法，其特征在于在步骤五中，微观光伤点缺陷之间的演变规律包括E’心缺陷衍生的缺陷族和NBOHCI缺陷衍生的缺陷族，所述E’心缺陷衍生的缺陷族包括E’心缺陷和ODCII缺陷，所述NBOHCI缺陷衍生的缺陷族包括NBOHCI缺陷、NBOHCII缺陷、POL缺陷和POR缺陷。

9.根据权利要求8所述的一种紫外光学元件加工表面微观光伤点缺陷检测方法，其特征在于基于Si-O键断裂将产生同等数量的E’心缺陷和NBOHCI缺陷进行验证，具体为通过各微观光伤点缺陷的相对含量，确定E’心缺陷族相对含量为250323；NBOHCI缺陷族相对含量为255559；二者之间相对误差仅为2.09％，误差较小，验证了本方法得到的微观光伤点缺陷种类、权重大小的正确性。