熔石英抛光表面结构的蚀刻和热处理表征

利用HF蚀刻和热处理,结合原子力显微(AFM)分析,对传统抛光和磁流变抛光的表面结构进行了表征。为了分析热处理凸起的形成源,抛光表面在热处理前分别采用超声清洗、化学沥滤和HF蚀刻三种不同的表面处理技术进行处理,去除了不同表面材料。蚀刻形貌和热处理形貌及其关联性表明,传统抛光表面存在着大量纳米级缺陷,这些缺陷由易于诱导激光损伤的纳米级微裂纹和颗粒状分布的抛光杂质组成。结合抛光机制的分析,建立了传统抛光表面的微裂纹-颗粒杂质结构模型。     

HF蚀刻+逐层抛光法表征熔石英亚表面损伤层深度

脆性材料的研磨过程会不可避免地产生亚表面损伤层,对亚表面损伤层的表征和抑制一直是获得高激光损伤阈值熔石英光学元件的关注热点。回顾了几种亚表面有损表征技术,通过实验重新评价了蚀刻表面峰谷(PV)粗糙度法的可行性,分析了其误差较大的原因。在此基础上,提出了一种新的亚表面损伤层深度检测方法——HF蚀刻+逐层抛光法。分别采用这两种表征技术以及粗糙度估计法、磁流变斜面抛光法对不同工艺研磨的熔石英亚表面裂纹深度进行了对比检测,结果表明这几种表征方法相互符合很好。     

超低亚表面损伤层GaAs抛光晶片的工艺

在不同弹性抛光布、不同氧化浓度、不同pH值的抛光液等条件下进行了化学机械抛光试验,并用TEM测量了晶片亚表面损伤层厚度.研究发现抛光布的弹性及抛光液的氧化和化学去除能力决定了GaAs抛光晶片的亚表面损伤层深度,并分析和讨论了其原因.     

超低亚表面损伤层GaAs抛光晶片的工艺

在不同弹性抛光布、不同氧化浓度、不同 p H值的抛光液等条件下进行了化学机械抛光试验 ,并用 TEM测量了晶片亚表面损伤层厚度 .研究发现抛光布的弹性及抛光液的氧化和化学去除能力决定了 Ga As抛光晶片的亚表面损伤层深度 ,并分析和讨论了其原因     

光学元件激光诱导损伤分析及实验研究

通过激光损伤实验,系统分析了传统研磨抛光加工工艺中表面杂质、刻蚀时间、亚表层缺陷和划痕宽深比对熔石英元件激光损伤阈值的影响。结果表明:擦洗后熔石英元件的激光损伤阈值为21.6J/cm~2,未经擦洗的元件的激光损伤阈值为11.28J/cm~2,受表层杂质影响激光损伤阈值大幅度降低,而有缺陷位置处的激光损伤阈值明显比无缺陷位置处的低。刻蚀时间的增加会使工件表面粗糙度和缺陷尺寸逐渐增大,导致光学元件激光损伤阈值大幅度下降,因此需要合理选择化学刻蚀时间。亚表层缺陷会对入射光场产生调制作用,造成局部区域反射光、散射光及入射光相互叠加,最终导致材料破坏而产生激光损伤。随着刻蚀时间的增加,划痕的宽深比会逐渐增大,可以逐渐减弱划痕对光场的调制作用,从而降低激光损伤发生的概率。     

固结磨料研磨硫化锌的亚表面损伤预测分析

研磨抛光后产生的工件亚表面损伤是评价工艺优劣及确定加工余量的主要参考,因此对亚表面损伤准确的预测有助于提高加工效率。采用离散元法对典型的软脆材料硫化锌固结磨料研磨过程中产生的亚表面损伤进行模拟,预测不同粒径金刚石加工工件后的亚表面微裂纹层深度。利用角度抛光法将工件抛光出一个斜面,作为亚表面损伤观测平面,通过盐酸的腐蚀使亚表面微裂纹显现,在金相显微镜下寻找微裂纹消失的终点位置并转换成亚表面微裂纹层深度,对仿真结果进行实验验证。结果表明:粒径为5、15、25、30 μm的磨粒造成的亚表面微裂纹层深度预测值分别为2.28、3.62、5.93、7.82 μm,角度抛光法实测值分别为2.02、3.98、6.27、8.27 μm。以上结果表明磨粒粒径对硫化锌亚表面损伤情况有很大的影响,随着磨粒粒径的增大,亚表面微裂纹深度增加,微裂纹数量增多。离散元法预测值与实测值偏差范围处在5%~15%之间,利用离散元法能有较为准确的预测软脆材料硫化锌加工后的亚表面损伤情况,为其研抛工艺的制定提供参考。     

在锗基底上采用离子辅助淀积的宽带减反射膜

在220℃温度的锗基底上,采用或未采用离子辅助淀积片镀制了五种宽带减反射膜.在这些膜上进行1.06μm波长、0.1μm脉冲的激光损伤阈值的测量.在氩离子轰击下淀积的锗膜显示出较高的激光损伤阈值,所以,锗基底上的减反射膜具有更强的牢固度.     

采用显微荧光法研究掺钕磷酸盐激光玻璃的亚表面缺陷

针对具有多波段强吸收和发光特点的N31和N41型掺钕磷酸盐激光玻璃,选取罗丹明6G(R6G)作为荧光标记物,它的激发和发光分别避开了钕离子吸收和发光,在宽场显微镜下实现了对磷酸盐玻璃亚表面缺陷(SSD)的高灵敏度二维观测。与光学显微观测的结果对比,证明所观测到的缺陷属于亚表面缺陷。根据R6G显微荧光观测的结果,分析了亚表面裂纹在抛光过程中的演变情况。结果表明在磷酸盐玻璃中比较难去除的亚表面缺陷是处于缺陷层中位置较深的Median型裂纹末端的月牙形缺陷。它们可能对入射光场具有较强的调制,引发表面激光损伤的可能性相对较大。     

化学机械抛光产生的碲镉汞材料亚表面损伤层的研究

针对化学机械抛光工艺对碲镉汞材料所产生的亚表面损伤层进行了研究。利用椭圆偏振光谱方法对经过腐蚀剥层的碲镉汞材料表面进行了光学表征,认为化学机械抛光工艺造成的亚表面损伤层的深度大概为抛光工艺中所使用研磨颗粒直径的15~20倍。通过少子寿命表征和光导器件性能的对比测试,认为将该亚表面损伤层完全去除后,材料的少子寿命和器件的光电性能会得到明显的提高。     

具有亚表面损伤层基底表面的激光减反膜设计

光学材料的亚表面损伤层（SSD）是激光光学领域内的研究热点之一。亚表面损伤层的存在将导致其表面薄膜特性发生变化,尤其是在高精度低损耗激光薄膜的设计与制造中亚表面损伤层必须给予考虑。文中研究了亚表面损伤层的物理特性,并借助于椭圆偏振仪测量基底表面的椭偏光谱,反演计算出SSD 的物理厚度和折射率梯度。通过计算得到了亚表面的深度和梯度对激光减反膜反射率光谱的影响,证明了亚表面深度对反射率的影响具有周期效应。在考虑亚表面损伤层的深度和梯度存在的基础上,对激光减反膜的设计进行了理论修正,数值实验结果证明通过膜系的修正可以实现633 nm 处的零反射。     

激光预处理中薄膜损伤形貌对预处理效果的影响

采用亚阈值激光能量对光学元件进行激光预处理后,其损伤阈值可以提高两三倍。在激光预处理过程中,不可避免地会使光学元件产生损伤,若产生的损伤不影响光学元件的使用性能,则原则上可以接受。首先介绍了HfO2/SiO2多层高反膜S-on-1损伤阈值测试方法,实验研究了激光预处理过程中光学薄膜元件的损伤过程,分析了预处理过程中薄膜损伤形貌对其光学性能及抗激光损伤阈值的影响。结果表明,对膜系为G/（HL）11H2L/A的HfO2/SiO2多层高反膜进行激光预处理,最外层SiO2层的破坏不影响薄膜整个反射率曲线。相反,由于消除了HfO2层的节瘤缺陷,薄膜的损伤阈值得到大幅度的提高。     

高损伤阈值双色膜

结合双色膜的驻波场分布优化膜系设计,以电子束蒸发的方式制备了1 064 nm高透过、532 nm高反射的HfO2/SiO2双色膜。采用1-on-1方式测量了双色膜在基频透过光和倍频反射光的辐照下的损伤阈值,为了研究双色膜在基频和倍频下的损伤机制差异,对比了双色膜不同的初始损伤形貌并分析了其形成原因。针对损伤机制的差异,研究了外层驻波场分布对于倍频反射光辐照下的双色膜损伤特性影响以及氧化硅内保护层对于基频透过光的损伤特性的影响。实验结果表明:氧化硅内保护层和驻波场优化有助于提高双色膜在基频光和倍频光辐照下的激光损伤阈值,并对其机理做了分析。     

355 nm增透膜的设计、制备与性能

用热舟蒸发法结合修正挡板技术制备了355 nm LaF3/MgF2增透膜,并对部分样品进行了真空退火.采用Lambda 900光谱仪测试了增透膜的低反光谱和透射光谱,并考察了其光谱稳定性;使用脉冲8 ns的355 nm激光测试了增透膜的激光损伤阈值(LIDT);采用Normarski显微镜对增透膜的表面缺陷密度和破斑形貌进行了观察.实验结果表明,制备得到的增透膜的剩余反射率较低,光谱稳定性好;真空退火对增透膜的激光损伤阈值没有改善;增透膜的破环形貌为散点形式,结合破斑深度测试表明薄膜的破坏源于薄膜和基底界面的缺陷点.JGSl熔石英基底由于有好的表面状况、固有的高激光损伤阈值和以其为基底的增透膜具有更低的表面场强,使得其上的增透膜有更高的抗激光损伤能力.     

CO_2激光预处理1.06μm高反射膜对吸收和损伤阈值的影响

本文报道用CO_2激光作光学薄膜预处理对薄膜的吸收和损伤阈值的影响。实验对K_9玻璃、硅片、石英作基底的三组样品作了研究,结果表明,对石英为基底的TiO_2/SiO_211层高反膜进行了CO_2激光辐照处理能提高损伤阈值。     

熔石英亚表面杂质对激光损伤概率的影响

基于Mie理论和热传导方程,结合ICP-OES对熔石英亚表面杂质粒子的主要成分测量,建立了计算吸收性杂质粒子诱导熔石英光学元件表面损伤概率的模型。通过该模型理论研究了不同种类的杂质粒子诱导损伤所需的临界能量密度随粒子尺寸的变化,以及不同尺寸分布的杂质粒子诱导熔石英表面的损伤概率。通过损伤实验测试获得了不同光斑尺寸的355 nm激光辐照作用下熔石英表面的损伤概率,与理论计算结果进行对比,在相同粒子分布参数下,分析了三种杂质粒子对损伤概率的贡献（Cu Al CeO2）。通过该模型能够分析光学基底或薄膜亚表面中不同潜在的杂质吸收性粒子对光学元件损伤概率的影响。     

影响1.06μm光学薄膜激光损伤因素的实验研究

本文对光学薄膜淀积过程中真空室的真空环境对薄膜激光损伤的影响了理论与实验方面的分析，对分子泵，扩散泵真空系统及扩散泵＋离子束辅助淀积（ＩＡＤ）制备出的膜系样品所进行的损伤实验表明，分子泵系统制备出的薄膜显示出较高的损伤阈值。     

离子束辅助技术获得高激光损伤阈值的增透膜

采用合适的离子束辅助沉积(IBAD)参数在K9基底上镀制了高激光损伤阈值的中心波长1053 nm的增透膜,分别从光谱性能、吸收性能、抗激光损伤阈值(LIDT)以及退火后的影响等方面与未进行离子束辅助沉积的薄膜进行对比分析。实验结果发现,采用离子辅助制备的薄膜放置80 d后具有更好的光谱稳定性,与未进行离子束辅助镀制的薄膜相比,平均吸收下降了57%,吸收值偏高的奇异点明显减少;损伤阈值提高了60%,用Leica偏振光学显微镜观察50%损伤几率的能量下破斑形貌,发现经过离子束辅助制备的样品破斑形状整齐且缺陷点少;未进行离子束辅助制备的样品退火后吸收降低,阈值提高,但奇异点没有减少,辅助样品变化不大。由此可知,离子辅助有助于制备高性能基频增透膜。     

杂质对光学薄膜激光损伤阈值的影响

通过对一系列１０６μｍＨｆＯ２／ＳｉＯ２全反膜样品进行的激光损伤阈值测试,以及二次离子质谱杂质含量测定的结果进行的比较分析,提出了减小膜系制备过程中杂质污染是提高光学薄膜激光损伤阈值行之有效的途径。将理论分析运用于具体生产实践中,获得了令人满意的结果。     

0.532 μm激光小光斑扫描预处理光学薄膜的研究

围绕着激光预处理的增强机理和具体工艺,进行了小光斑扫描处理的实验探索,对０．５３２μｍ波长预处理的实验结果进行了分析,进一步证实了激光预处理对改善光学薄膜质量、提高光学薄膜损伤阈值的有效性和可行性,并从实验角度给予了一定的分析解释。