[發(fā)明專(zhuān)利]光學(xué)玻璃拋光亞表面損傷無(wú)損檢測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310043800.7
• 申請(qǐng)日: 2013-02-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103115927A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-05-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王卓;楊軍宏;曹玉君;徐小軍;尚建忠;戴一帆;李圣怡
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N21/958
• 分類(lèi)號(hào): G01N21/958
• 代理公司: 湖南兆弘專(zhuān)利事務(wù)所 43008
• 代理人: 趙洪;楊斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件表面損傷的檢測(cè)方法，尤其涉及一種光學(xué)玻璃拋光亞表面損傷深度的檢測(cè)方法

背景技術(shù)

亞表面損傷的存在直接降低光學(xué)元件的使用壽命、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、鍍膜質(zhì)量、成像質(zhì)量和激光損傷閾值等重要性能指標(biāo)，特別是再沉積雜質(zhì)、塑性劃痕和顯微裂紋等拋光亞表面損傷會(huì)對(duì)強(qiáng)激光、高聚能使用環(huán)境中的光學(xué)元件產(chǎn)生致命的破壞。上述拋光亞表面損傷特征尺度微小(塑性劃痕處于納米尺度，拋光雜質(zhì)濃度處于ppm量級(jí))、形式多樣，并且相互耦合難以有效區(qū)分(再沉積物質(zhì)連同均勻分布其中的拋光雜質(zhì)沉積在塑性劃痕等機(jī)械損傷內(nèi)部，通過(guò)化學(xué)鍵緊密結(jié)合，機(jī)械損傷沿深度的指數(shù)遞減分布規(guī)律導(dǎo)致再沉積物質(zhì)濃度具有類(lèi)似的非均勻分布特征)。二次離子質(zhì)譜法、原子力顯微鏡法可分別實(shí)現(xiàn)再沉積雜質(zhì)和機(jī)械損傷的準(zhǔn)確檢測(cè)，恒定化學(xué)蝕刻速率法通過(guò)蝕刻速率的變化可間接獲得損傷深度值。但是，上述損傷性檢測(cè)方法會(huì)導(dǎo)致光學(xué)元件的破壞或失效，這是大型、高精度及昂貴的光學(xué)元件所無(wú)法接受的。

以全內(nèi)反射顯微術(shù)、激光共焦掃描顯微術(shù)和光熱測(cè)量術(shù)等為代表的亞表面損傷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行非接觸測(cè)量，能夠避免損傷性檢測(cè)技術(shù)的缺陷。但是，多數(shù)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)仍然處于定性測(cè)量階段，并且靈敏度和測(cè)量精度有限，此外，測(cè)量原理的限制使得它們主要適用于表面缺陷和亞表面粗大裂紋等宏觀機(jī)械損傷檢測(cè)。拋光亞表面損傷層所具有的超薄、多樣性、強(qiáng)耦合和非均質(zhì)等特征，現(xiàn)有的檢測(cè)方法無(wú)法滿足其無(wú)損、快速和準(zhǔn)確檢測(cè)的需求。

近年來(lái)，J.Wang，Bin?Ma等在準(zhǔn)偏振角技術(shù)測(cè)量拋光亞表面損傷方面開(kāi)展了有益地探索，檢測(cè)了CaF₂、Si0₂等晶體材料拋光產(chǎn)生的裂紋、劃痕等機(jī)械損傷。但是，如何提高準(zhǔn)偏振角技術(shù)對(duì)于非晶體光學(xué)材料的檢測(cè)精度，特別是在拋光亞表面損傷層多樣性結(jié)構(gòu)和再沉積物質(zhì)非均質(zhì)分布特性的前提下，如何運(yùn)用準(zhǔn)偏振角技術(shù)建立和完善橢偏檢測(cè)光學(xué)模型和材料物理模型，還有待進(jìn)一步研究。因此，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，有必要開(kāi)發(fā)出基于全新物理原理的拋光亞表面損傷無(wú)損檢測(cè)方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠、檢測(cè)過(guò)程快速高效、檢測(cè)區(qū)域靈活可控、完全能夠滿足批量檢測(cè)、靈活檢測(cè)和高精度檢測(cè)要求的光學(xué)玻璃拋光亞表面損傷無(wú)損檢測(cè)方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種光學(xué)玻璃拋光亞表面損傷無(wú)損檢測(cè)方法，包括以下步驟：

(1)制備無(wú)損基底：采用現(xiàn)有加工工藝制作一與待測(cè)光學(xué)玻璃試樣對(duì)應(yīng)的無(wú)損基底；

(2)確定橢偏檢測(cè)入射角：使用橢圓偏振儀采用變角度掃描方式分別檢測(cè)待測(cè)光學(xué)玻璃試樣和步驟(1)得到的無(wú)損基底；根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)繪制橢偏參數(shù)與入射角和橢偏光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，并根據(jù)關(guān)系曲線確定橢偏參數(shù)變化最顯著時(shí)對(duì)應(yīng)的入射角度數(shù)作為橢偏檢測(cè)入射角；

(3)確定無(wú)損基底光學(xué)常數(shù)：將步驟(1)得到的無(wú)損基底定義為襯底-環(huán)境結(jié)構(gòu)作為橢偏檢測(cè)光學(xué)模型，使用標(biāo)準(zhǔn)電介質(zhì)函數(shù)作為其材料物理模型，根據(jù)步驟(2)中橢偏檢測(cè)入射角條件下測(cè)得的無(wú)損基底的橢偏參數(shù)，采用回歸算法計(jì)算無(wú)損基底的光學(xué)常數(shù)n值和k值(其中n值為折射系數(shù)，k值為消光系數(shù))；

(4)建立橢偏檢測(cè)多層膜光學(xué)模型：將待測(cè)光學(xué)玻璃試樣的亞表面損傷層定義為(自上而下)依次包括空氣、表面粗糙層、再沉積層和襯底的多層膜光學(xué)模型；

(5)定義橢偏檢測(cè)多層膜材料物理模型：與步驟(4)中建立的多層膜光學(xué)模型相對(duì)應(yīng)，采用混合材料有效介質(zhì)模型建立依次包括表面粗糙層混合材料物理模型、再沉積層混合材料物理模型和襯底材料物理模型的多層膜材料物理模型，其中，所述表面粗糙層混合材料物理模型定義為表面沉積物質(zhì)和空隙的混合體，所述再沉積層混合材料物理模型定義為表面沉積物質(zhì)和基底材料的混合體，所述襯底材料物理模型定義為純基底材料組成；

(6)建立多層膜材料物理模型：測(cè)量待測(cè)光學(xué)玻璃試樣的表面粗糙度，作為表面粗糙層混合材料物理模型的初始厚度參考值；測(cè)量待測(cè)光學(xué)玻璃試樣的表面沉積物質(zhì)沿深度分布規(guī)律，并擬合出表面沉積物質(zhì)濃度隨深度變化的分布曲線函數(shù)表達(dá)式；使用上述步驟(3)中確定的無(wú)損基底光學(xué)常數(shù)作為所述襯底材料物理模型的n值和k值；

(7)獲取亞表面損傷層深度值：根據(jù)步驟(2)中橢偏檢測(cè)入射角條件下測(cè)得的待測(cè)光學(xué)玻璃試樣的橢偏參數(shù)，利用回歸算法對(duì)多層膜材料物理模型的膜層參數(shù)(包括膜層組份介電常數(shù)、膜層中組份混合比等)及膜層厚度進(jìn)行反演運(yùn)算，最終獲得亞表面損傷層的深度值。