[發(fā)明專利]一種熔石英光學元件表面的處理方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610606135.1
• 申請日: 2016-07-28
• 公開（公告）號: CN106277814B
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫來喜;黃進;蔣曉東;葉鑫;劉紅婕;王鳳蕊;耿峰;周曉燕;李青芝
• 申請（專利權(quán)）人: 中國工程物理研究院激光聚變研究中心
• 主分類號: C03C15/02
• 分類號: C03C15/02
• 代理公司: 北京超凡志成知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11371
• 代理人: 吳開磊

本發(fā)明提供了一種熔石英光學元件表面的處理方法，主要包括如下步驟：(A)對熔石英光學元件的表面進行反應(yīng)離子刻蝕處理后，去離子水漂洗；(B)再采用HF?NH₄F緩釋溶液對熔石英光學元件的表面進行刻蝕處理，去離子水漂洗，即可。本發(fā)明實施例的熔石英光學元件的表面處理方法實現(xiàn)了以較低的材料去除量對熔石英光學元件表面進行處理，并使得處理后的熔石英光學元件不僅具有較高的損傷閾值，還具有較低的粗糙度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及熔石英光學元件加工領(lǐng)域，具體而言，涉及一種熔石英光學元件表面的處理方法。

背景技術(shù)

熔石英是大型高功率激光驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的光學材料，熔石英材料在光學系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用于制備透鏡、窗口和屏蔽片等光學元件。熔石英元件在加工過程(拋光、研磨等)中會不可避免地引入雜質(zhì)、劃痕等表面及亞表面缺陷。當元件處于較高的強激光輻射下，這些缺陷將劇烈吸收激光能量，致使元件表面及材料內(nèi)部發(fā)生一系列不可逆的、災(zāi)難性的激光誘導損傷，即當損傷點面積總和超過一定比例后，熔石英光學元件將視為徹底損壞而不能繼續(xù)使用，這一狀況的產(chǎn)生嚴重限制了元件在高能密度科學領(lǐng)域(例如ICF和高能光源等)的發(fā)展和應(yīng)用。幾十年來，人們通過不斷探究激光脈沖與熔石英材料表面的相互作用機制，這些損傷前驅(qū)體已經(jīng)被系統(tǒng)地明確和區(qū)分出來，主要包括：破碎性缺陷(亞表面劃痕、微裂紋、坑洞等)、污染性缺陷(表面及嵌埋在亞表面的雜質(zhì)污染)及化學結(jié)構(gòu)缺陷(氧空位、非橋接氧等)。

為了應(yīng)對這些損傷前驅(qū)體對熔石英元件激光損傷性能的惡劣影響，人們積極研究針對熔石英表面的各種處理方法。較為傳統(tǒng)的方法主要關(guān)注如何控制缺陷生成，主要包括材料提純、熱處理、熱鍛造處理、精拋光、金剛石切削等。然而，盡管這些處理方法已做到極致，但仍不能徹底控制缺陷的生成。磁流變拋光、離子束拋光、HF刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕等方法是近年來新興的表面處理方法，這些方法主要關(guān)注如何去除缺陷及抑制缺陷的再生。

但是，上述關(guān)注去除缺陷的幾種處理方法各有利弊，比如磁流變拋光是一種利用磁流變效應(yīng)產(chǎn)生的高剪切應(yīng)力來去除材料表面缺陷的方法，該方法雖然可以有效去除熔石英亞表面缺陷，但拋光過程中同樣會次生金屬雜質(zhì)污染及研磨介質(zhì)污染。

離子束拋光是一種非化學反應(yīng)的表面刻蝕處理方法，主要依靠等離子體中高能離子對材料表面的轟擊作用來去除損傷前驅(qū)體。但由于該方法需要在極高的能量下才能實現(xiàn)材料表面的去除，因此會破壞晶格，損傷材料表面，且腔室和樣品臺上的金屬物質(zhì)極易被濺射到材料表面，造成二次污染。

HF刻蝕是一種純化學的表面刻蝕處理方法，可以有效剝離元件亞表面缺陷層，鈍化暴露的結(jié)構(gòu)性缺陷，大幅度提升元件損傷性能，該方法已在國內(nèi)外得到廣泛地認可和應(yīng)用。然而為了最大幅度提升熔石英元件的損傷抗性，需要極大的材料去除量(刻蝕深度高達20μm)。由于濕法酸刻蝕的各向同性效應(yīng)，亞表面層的劃痕和坑洞等結(jié)構(gòu)性缺陷會在幾何尺度上被不斷復制和延展，導致元件表面粗糙度增加，面形劣化。

反應(yīng)離子刻蝕(RIE)是一種物理轟擊和化學刻蝕相結(jié)合的刻蝕過程，通過氟碳氣體放電產(chǎn)生活性基團，與熔石英材料表面相互作用，各向異性地去除材料表面及亞表面缺陷，可以徹底去除上述結(jié)構(gòu)性缺陷，大幅度提升熔石英元件的損傷抗性。但該方法可能引入金屬雜質(zhì)污染，次生較為活躍的化學結(jié)構(gòu)缺陷層(下文統(tǒng)一稱之為變質(zhì)層)，且深刻蝕下也會導致粗糙度增加，限制了損傷性能的持續(xù)提升。

上述方法中，有些方法刻蝕深度太深會導致元件表面的粗糙度增加，有些方法容易引入金屬雜質(zhì)污染，限制了光學元件的進一步性能提升，因此如何發(fā)明一種使得熔石英光學元件的綜合性能較優(yōu)的表面處理方法是本領(lǐng)域中亟待解決的技術(shù)問題。

鑒于此，特提出本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容