光学元件亚表面缺陷结构的蚀刻消除

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1、!第"#卷!第$期强激光与粒子束%&’("#，)&($!!*++,年$月-./-01234567346)80649.:53;36<7<=>(，*++,!文章编号：!"++"?@$**（*++,）+$?+$,$?+@!光学元件亚表面缺陷结构的蚀刻消除"""**项!震，!聂传继，!葛剑虹，!侯!晶，!许!乔（"!浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，杭州$"++*,；!*!成都精密光学工程研究中心，成都A"++@"）!!摘!要：!针对强激光光学元件的应用要求，对光学材料在研磨和抛光过程中形成的亚表面缺陷进行了分析，并借鉴小工具数控抛光和<=>=BC&BD界面效应，提出

2、采用数控化学刻蚀技术来实现光学表面面形和微结构形貌的高精度加工，对亚表面缺陷具有很好的克服和消除作用。通过实验对亚表面缺陷的分布位置和特性进行了分析，同时实验验证了在静止和移动条件下<=>=BC&BD界面效应的存在，对材料的定量去除进行了实验，提出了亚表面缺陷的去除方法。!!关键词：!化学刻蚀；!<=>=BC&BD界面效应；!亚表面缺陷；!抛光!!中图分类号：!9)*@@!!!!文献标识码：!6［"］!!目前，实用先进光学制造技术是国际研究的热点，主要以使用旋转抛光盘的小工具数控抛光技术为代表，这种抛光技术均依赖于需校准的材料去除率，在加工过程中需对工件反复进行

3、测量?加工?测量，批量化成本较高。散粒磨料小工具抛光技术在加工过程中由于存在局部的机械应力，因而无法加工超薄的元件。此外，还有两个问题：一是数控抛光过程容易形成小尺度的碎带误差，在高功率激光应用中可能形成严重的非线性增长，从而造成损伤；二是抛光过程中使用了抛光粉等辅料，容易造成光学表面的亚表面缺陷，在高功率密度的系统中也易导致光学元件的损伤。因此，寻找可控性强、加工机制单纯且无亚表面缺陷的抛光头是此项技术应用［*］于强激光系统的关键。借鉴小工具数控抛光基本工艺思想的湿法化学刻蚀方法，利用<=>=BC&BD界面梯度［$］效应来进行抛光过程控制，这种“数控化学抛光”

4、在光学制造原理上是一种新的尝试，由于采用液体腐蚀的方法，有效避免及消除工件的亚表面缺陷（778），并且可以获得定量去除的目的，提高加工效率。"#$$%的形成及特征!!亚表面缺陷是指传统研磨和抛光过程中，由于不可避免地需要对器件表面施加一定的压力，以致在光学元件表面以下产生的杂质、划痕和微裂纹等缺陷的现象。光学元件在亚表面层中存在的微裂纹和杂质等缺陷将［@］导致激光电磁场的调制，会使元件的损伤阈值降低，在高功率密度的系统中极易导致光学元件的损伤。这种缺陷通常分布在表面以下几十至几百BE范围内。根据劳伦斯利弗莫尔（55)5）亚表面层理论模型，光学元件表面结构分为：抛

5、光层，深度在+("F"(+!E，主要在元件抛光阶段引起；缺陷层，深度在"F"++!E，主要在元件研磨加工阶段；变形层，深度在"F*++!E，主要在元件初成型阶段引起；光学材料本体。"!"#$$%的不同表现形式!!光学元件在不同的传统研磨和抛光工艺下，形成的亚表面缺陷的形态及深度有一定差异。主要影响的参数较多，例如工件表面的压强、研磨及抛光的时间、磨料型号的选取情况等。图"是对不同厂家提供的熔石英基片样品，分别利用-G均匀腐蚀"!E的表面厚度后进行检测（将同样大小的样品浸没在HI的氢氟酸缓冲液中HEDB，温度*,J，使用搅拌器保证在溶液中不同位置氢氟酸的均匀性），

6、图中是对**@!EK$+"!E的局部区域的面型测量，图"（=）具有明显的图带状缺陷，图"（L）是较为纯粹的点状缺陷。利用原子力显微镜，可以对其微观$维尺寸进行准确的测量，通过对大量样本的分析，点状缺陷的尺寸分布在宽度HF",!E，深度*(HF$("!E，而带状缺陷的宽度一般在"+!E左右，深度相同，如图*所示。"!&#$$%的纵向变化规律!!对同一熔石英基片进行不同深度的刻蚀，利用高倍率显微镜对同一区域进行定点观察。通过对不同深度的形貌进行追踪，发现其表面形貌变化有如下趋势：通过不断的深度刻蚀，一些较深较宽的划痕随着刻蚀深度!收稿日期：*++A?+$?",；!!

7、修订日期：*++,?+"?$"基金项目：国家自然科学基金委?中国工程物理研究院联合基金资助课题（"+@,A+*H）作者简介：项!震（"#,"—），男，博士，副教授，从事光学加工和表面工艺的研究；MD=BCNOPBQNRS(PTS(UB。通讯作者：葛剑虹（"#,*—），博士，讲师，从事激光及非线性光学研究；VD=BO&BCQNRS(PTS(UB。;BA强激光与粒子束第%=卷!"#$%&!’()*+,-./"++0,01220341"560*图%&不同的工艺产生的缺陷!"#$7&869*6,+(30/(.(#0)"24(2-.+-,30."3,-*3-:0图7&原子

8、力显微镜下表面缺陷形状的