[發明專利]一種透射型光學基板中結構性缺陷初始損傷特征判定方法

有效

• 申請號: 201510344597.6
• 申請日: 2015-06-19
• 公開（公告）號: CN105021631B
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發明（設計）人: 馬彬;陸夢蕾;王可;程鑫彬;王占山
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01N21/896
• 分類號: G01N21/896
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司31225
• 代理人: 翁惠瑜

技術領域

本發明涉及透射型光學元件領域，尤其是涉及一種對透射型光學元件內部結構性缺陷初始損傷特征的診斷和檢測方法。

背景技術

透射元件在激光加工、激光武器以及高功率激光系統等領域有著廣泛的應用，是光學系統中必不可少的基本元件。由脆性材料熔石英研磨、拋光而成的、應用于紫外波段的透射元件，在其制備過程中不可避免地會引入表面和亞表面缺陷，而深入材料內部的縱向裂紋成為紫外波段激光破壞的主要誘因和元件使用壽命的短板之一。因此，研究亞表面缺陷的檢測技術和去除方法，建立缺陷特征參數與激光損傷特性的聯系，是紫外波段透射元件研究的重要方向和課題。

裂紋缺陷隱藏于表面以下幾十納米至上百微米區域，用普通的方法不能直接檢測，因此缺陷的識別精度是制約檢測方法的限制性因素，而一般的檢測方法僅是間接方式推斷元件的激光損傷性能，不能確定限制損傷性能提升的缺陷類型和位置，因此并不是確定性檢測方法。

透射元件發生激光損傷的誘因比較復雜，與缺陷類型、缺陷深度密切相關，并不能簡單的以損傷閾值的數值結果為參照對加工工藝進行優化。由表層和深層缺陷、吸收性和結構性缺陷誘導的損傷在最終形貌上通常都呈現為大小不同的凹坑，其橫向和縱向尺寸分布在亞微米至幾百微米不等，但損傷誘因的差異意味著工藝改進方向的不同。

由于結構性缺陷的局部結構強度和材料邊界條件與體材料有顯著差別，初始破壞的生長和膨脹會優先在結構性缺陷的裂紋方向拓展和擴大。基于此，能夠對誘導元件損傷的結構性缺陷特征進行識別和分辨，分析缺陷的產生機制和引入源頭，進而針對性的改進加工工藝。

發明內容

本發明為解決上述技術的不足，提供了一種透射型光學基板中結構性缺陷初始損傷特征判定方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種透射型光學基板中結構性缺陷初始損傷特征判定方法，用于透射型光學基板中結構性缺陷的檢測和判定，該方法包括：

1)基于泵浦探測技術，建立亞微米空間分辨和納秒時間分辨的雙光束成像系統；

2)利用壓痕儀，在透射型光學基板上壓制裂紋，并利用磁流變拋光、僅留下內部裂紋缺陷，制備出具有不同尺寸結構性缺陷的透射型光學基板；

3)采用所述雙光束成像系統獲得透射型光學基板同一位置在不同時間的兩張圖像，根據兩張圖像中初始損傷的尺寸差異與延遲時間計算損傷的生長速率，根據兩張圖像中初始損傷的生長方向與光學基板表面夾角明確擴展方向，由此建立不同尺寸結構性缺陷的初始損傷特征；

4)對實際光學基板進行缺陷檢測，采用所述雙光束成像系統拍攝其損傷行為，并與建立的不同尺寸結構性缺陷初始損傷特征進行比對，實現對透射型光學基板損傷的結構性缺陷的診斷和判定。

所述的步驟1)中建立的亞微米空間分辨和納秒時間分辨的雙光束成像系統包括一泵浦激光器、兩長工作距離顯微鏡、三偏振分光棱鏡、一355nm透射、532nm反射的分光鏡和兩532nm反射鏡，該雙光束成像系統工作時，泵浦激光器同時發出泵浦光、第一探測光和第二探測光，所述泵浦光經分光鏡照射在透射型光學基板上，所述第一探測光依次經兩偏振分光棱鏡、透射型光學基板和另一偏振分光棱鏡進入一長工作距離顯微鏡，所述第二探測光依次經一偏振分光棱鏡、兩反射鏡、一偏振分光棱鏡、透射型光學基板和另一偏振分光棱鏡進入另一長工作距離顯微鏡，所述泵浦光為355nm光，所述第一探測光和第二探測光均為532nm光。

所述步驟2)具體為：

21)利用壓痕儀，通過施加不同的荷載在熔石英基板上壓制出不同尺寸的壓痕和內部裂紋；

22)利用磁流變拋光去除壓頭留下的壓痕，僅留下內部裂紋缺陷。

所述步驟3)中，采用所述雙光束成像系統獲得透射型光學基板同一位置在不同時間的兩張圖像具體為：

31)泵浦激光器同時發出泵浦光、第一探測光和第二探測光，兩長工作距離顯微鏡分別拍攝透射型光學基板的側向損傷行為；

32)調節第一探測光和第二探測光到達透射型光學基板的空間距離，獲得各探測光相對于泵浦光的時間延遲以及兩束探測光之間的時間延遲；

33)從低能量開始，逐步增加泵浦光激光能量，直至透射型光學基板發生損壞；

34)同時調節第一探測光相對于泵浦光的時間延遲，獲得初始損壞產生的時間T₁，為0～10ns；

35)調節兩束探測光之間的時間延遲T₂為5～20ns，獲得同一缺陷在不同時間的損傷圖像。

所述結構性缺陷為裂紋；