[發明專利]平面光學元件亞表面損傷檢測方法

在審

• 申請號: 201810318041.3
• 申請日: 2018-04-10
• 公開（公告）號: CN108515460A
• 公開（公告）日: 2018-09-11
• 發明（設計）人: 李平;金灘;劉安民;陳思羽;吳遠志
• 申請（專利權）人: 湖南工學院
• 主分類號: B24B49/12
• 分類號: B24B49/12;B24B13/00;G01B11/22;G01B21/18;C03C15/00;B24C1/04
• 代理公司: 長沙星耀專利事務所(普通合伙) 43205
• 代理人: 許伯嚴

平面光學元件亞表面損傷檢測方法，包括：步驟一、采用定向磨料液體射流在平面光學元件表面制作觀測斜面，觀測斜面貫入平面光學元件的深度應當足以暴露亞表面裂紋；步驟二、用氫氟酸溶液蝕刻觀測斜面，使得平面光學元件沿觀測斜面方向的亞表面裂紋層充分暴露以便觀測；步驟三、借助輪廓儀的掃描功能測量觀測斜面的輪廓曲線，得出水平面與該觀測斜面之間的夾角值；步驟四、借助超景深光學顯微鏡的微動平臺和清晰成像功能獲取沿觀測斜面方向的亞表面裂紋分布情況，確定最終裂紋消失時微動平臺移動的總距離；步驟五、結合步驟四中得到的最終裂紋消失時微動平臺移動的總距離和步驟三中得出的水平面與該觀測斜面之間的夾角值計算亞表面裂紋深度值。

技術領域

本發明涉及超精密加工與檢測技術領域，特別涉及一種平面光學元件亞表面損傷檢測方法。

背景技術

平面光學元件（如平面反射鏡、平面標準鏡）是光學系統的重要組成部分。在美國國家點火裝置（National Ignition Facility，NIF）的光學系統內，192路光束共需約7500件420mm×420mm以上尺寸的大中型光學元件，再加上備份光學元件和小口徑光學元件總計共需約30000件光學元件。它們的特征是高精度面形、超光滑表面、高表面/亞表面質量及大批量需求。值得注意的是，國家點火裝置NIF中大約有80％的光學元件為平面元件（包括偏振片、釹玻璃片、反射鏡以及脈沖壓縮光柵等），僅第一期工程就使用了3000塊尺寸為800mm×460mm×40mm的長方體激光玻璃平面光學元件。國內的神光III激光核聚變裝置對口徑為400-800mm的大中型光學元件（口徑在300mm以上的光學元件可認為是大中型光學元件）的需求量也將近達萬件，這其中就包含了大量的平面光學元件。國內的0902點火工程項目用于全口徑光束的光學元件數量與美國國家點火裝置NIF所需數量相當，其中75%以上的大中型鏡片是平面光學元件。郭守敬望遠鏡（LAMOST）中的施密特反射鏡由24個長邊尺寸為1100mm、厚度為25mm的六邊形平面反射鏡組成。由此可見，大口徑、高精度、特殊形狀的平面光學元件在國內外的重大光學系統工程中得到了廣泛的應用。

大中型平面光學元件在加工過程中，由于材料自身的力學性能以及對加工效率的一味追求，使得材料在加工過程中容易產生微裂紋、劃痕、殘余應力等亞表面損傷缺陷，這些缺陷的存在將會導致大中型平面光學元件的成像質量和抗激光損傷能力下降。因此，如何快速、準確地檢測大中型平面光學元件亞表面損傷缺陷的深度已成為機械制造領域和光學制造領域亟待解決的關鍵問題。

近些年來，國內外學者對脆性材料的精密/超精密加工開展了廣泛而深入的研究，推動了亞表面損傷檢測技術的迅速發展，先后出現了多種破壞性檢測方法，如截面顯微法、HF酸蝕刻速率法、Ball Dimpling法、角度拋光法、磁流變拋光法、聚焦離子束轟擊法、納米壓痕法等。此外，隨著多學科交叉融合的發展，誕生了一些非破壞性檢測方法，其基本原理是利用脆性材料內部缺陷引起材料對熱、聲、光、電、磁等反應的變化來探測材料或者結構內部的異常和缺陷。如聲學顯微鏡法，顯微拉曼光譜法，激光散射法，X射線衍射法，全內反射強度檢測法，光學相干層析法，共聚焦激光掃描法等。除了通過實驗的手段檢測亞表面損傷以外，通過建立數學模型的方式來預測預報亞表面損傷深度也是重要手段之一。如LAMBROPOULOS基于壓痕斷裂力學系統建立的中位裂紋深度模型，張璧提出的與未變形切屑厚度相關的亞表面損傷模型，王卓等人提出的表面粗糙度與亞表面損傷深度之間的關系模型等。

無論是破壞性檢測方法、非破壞性檢測方法還是理論預測方法，都有其各自的優點，也存在明顯不足。破壞性檢測會導致昂貴的光學元件破壞或失效，且檢測過程對于操作人員的經驗有很大的依賴性。非破壞性檢測方法存在著測量精度低，探測深度淺，測量結果不直觀，測試系統成本高等問題。理論預測方法中預測模型的建立基本上以經驗型公式為基礎，加上一些假設條件的引入，使得預測結果的準確性難以保障。此外，上述所列舉的破壞性檢測方法、非破壞性檢測方法及理論預測方法的應用基本上停留在以實驗室環境下的加工試樣為檢測對象，而針對工程應用背景下的大中型平面光學元件的亞表面損傷檢測的實用性不強。

發明內容