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应用于超短超强激光领域的高精度大口径超微损伤光学基片的研发与制作

作者:兰光光学浏览次数: 日期:2016年9月3日 21:09

摘要:兰光光学研发制造的应用于超短超强激光领域的高精度大口径超微损伤光学基片技术指标达到:面形精度PV≤0.16λ@632.8nm;表面粗糙度RMS达到0.2nm;表面光洁度满足:在质量分数为5%的氢氟酸溶液浸泡5分钟,长度大于0.2mm的划痕总长不超过200mm,划痕宽度小于0.03mm;直径大于0.01mm的麻点总数量不多于15个。

前言

超短超强激光是具有广泛应用的前沿技术,是目前国际激光应用领域的热点。美国和中国都开展了以超强激光引发核聚变的研究项目,分别代号为“国家点火”和“神光”项目。超强超短激光能在实验室内创造出前所未有的超强电磁场、超高能量密度和超快时间尺度综合性极端物理条件,在激光加速、激光聚变、核医学等领域有重大应用价值。而超短超强激光装置对光学元件的面形精度、表面/亚表面质量、生产周期及成本的要求越来越严格。其中,表面/亚表面损伤的存在降低了光学元件的使用寿命、长期稳定性、镀膜质量、成像质量和激光损伤阈值等重要指标。在超短超强激光装置中,光学元件的激光损伤阈值是最关键的设计依据之一。因为以最大限度地提高光学元件的损伤阈值能最为有效地提升激光系统的光学性能并降低制造成本。光学元件在制造过程中引入的表面/亚表面损伤是导致零件激光破坏的根本原因之一。因此,如何有效抑制表面/亚表面损伤,在超精密、超光滑加工后实现光学元件的超微损伤加工,已成为限制应用于超短超强激光领域的光学元件实现纳米精度制造的“瓶颈”问题。

目前,应用于超短超强激光的熔石英光学基片普遍存在如下缺点:

(1)传统方式制造的熔石英光学基片无法同时保证面形精度、表面粗糙度、亚表面损伤等重要指标,其中,磨削、研磨和抛光过程中产生的亚表面损伤一直不能完全消除。

(2)对熔石英光学基片进行的后处理技术无法从根本上消除亚表面损伤,还有可能引入新的亚表面损伤,并且不能保证面形精度和表面粗糙度。

(3)采用磁流变、离子束等新型加工方式,存在制造设备昂贵、成本高、操作要求高、效率低等问题,并且目前无法实现对大口径光学基片的加工,其中离子束加工还可能在光学基片中引入新的杂质。

针对熔石英光学基片在超短超强激光领域应用中的缺点,我公司成立了熔石英基片工艺研究室,专门对应用于超短超强激光领域的超微损伤光学基片进行立项研究,并取得一定成果。

技术方向:

1、改进传统研磨方式,通过设计制作新型的磨盘、研磨工装、选择不同的磨料、改进研磨工艺对光学基片进行分阶段研磨,去除光学基片磨削后残留的裂纹层,减少研磨产生的表面/亚表面损伤;

2、改进传统抛光方式,通过设计制作新型的抛光盘、选择不同的抛光辅料、改进抛光工艺对光学基片进行分阶段抛光,实现原子级去除研磨产生的表面/亚表面损伤层,同时保证光学基片的面形精度和表面粗糙度;

3、采用以化学蚀刻-弱应力抛光-化学蚀刻相结合的循环加工方式为主的超微损伤处理过程以消除光学基片表面的最终亚表面损伤。

关键技术:

(1)研磨过程对面形精度、亚表面裂纹深度的控制技术

通过精确控制研磨过程的工艺参数,实现对光学基片的面形精度、亚表面裂纹深度的控制是传统研磨加工的技术难题。在研磨过程,需改进传统研磨方式,通过设计制作新型的磨盘、研磨工装、选择合适的磨料、改进研磨工艺对光学基片进行分阶段研磨,去除光学基片磨削后残留的裂纹层,减少研磨产生的表面/亚表面损伤。

(2)抛光过程对面形精度、粗糙度、亚表面裂纹深度的控制技术

抛光过程能消除研磨过程残留的亚表面裂纹,但同时也会引入水解层、塑性划痕等亚表面损伤层。另外同时实现对面形精度、粗糙度、亚表面裂纹深度进行精确控制是目前传统抛光方式的技术难题。硬度大的抛光盘有利于保证面形精度,但不利于保证粗糙度、亚表面损伤指标,硬度小的抛光盘有利于获得低的亚表面损伤和粗糙度,但抛光盘面形不稳定,不能获得高精度面形。解决该问题的方向是:改进传统抛光方式,通过设计制作新型的抛光盘、选择合适的抛光辅料、改进抛光工艺对光学基片进行分阶段抛光,实现原子级去除研磨产生的表面/亚表面损伤层,同时保证光学基片的面形精度和表面粗糙度。

(3)采用以化学蚀刻-弱应力抛光-化学蚀刻相结合的循环加工方式为主的超微损伤加工以消除光学基片最终的亚表面损伤层。

采用传统的研磨、抛光加工方式得到的光学基片亚表面普遍存在缺陷,其亚表面结构包含:抛光表面水解层,深度在0.1~1μm,主要在抛光阶段引起,主要是硅酸盐与水发生水解反应生成的硅酸凝胶和嵌入的抛光粉颗粒;缺陷层,深度在1~100μm,主要是磨削和研磨过程残留的裂纹和划痕及抛光过程产生的抛光点、划痕和残余应力等;变形层,深度在1~200μm,主要在初成型阶段引起;光学材料基体。其示意图如下:

光学基片表面结构示意图

而采用经过公司改进优化后的研磨、抛光加工工艺,光学基片的缺陷层、变形层的深度压缩至抛光表面水解层的深度内,经过化学蚀刻能去除抛光水解层。但在由于化学蚀刻速率在大尺寸的光学基片的不同区域难以保持一致,蚀刻之后的面形精度有所下降,而表面粗糙度会出现小幅度变化的问题。为此,公司提出采用以化学蚀刻-弱应力抛光-化学蚀刻相结合的循环加工方式,实现超微损伤加工,能消除光学基片亚表面损伤层,同时保证面形精度和表面粗糙度。化学蚀刻是用HF酸与NH4F配制的混合溶液作为蚀刻液,通过精确控制蚀刻液的浓度、温度、蚀刻时间对光学基片的蚀刻深度实现精确控制,以去除抛光水解层。弱应力抛光是通过设计更轻、更软的抛光盘,用粒度更小的抛光液悬浮液及低的转速和低的抛光压强进行。弱应力抛光主要是修整化学蚀刻后的面形精度及减小引入的新的抛光水解层深度。通过采用以化学蚀刻-弱应力抛光-化学蚀刻相结合的循环加工方式为特点的超微损伤加工,光学基片的损伤层深度越来越小,最终达到完全消除亚表面损伤层的效果,同时也能保证大口径光学基片的面形精度和粗糙度等重要指标。

技术创新性

(1)发明一种用于大口径光学基片精密研磨的分离器式夹持装置,解决了现有技术在大口径光学基片在研磨工序中的表面质量损坏、下盘后面形变化大、面形精度不高、细磨效率低的缺点,提高了大口径熔石英光学基片的研磨精度、表面质量和效率。

(2)发明一种开方槽的黄铜材质的新型磨盘,提高了对大口径熔石英光学基片的研磨精度以及降低了研磨过程引起的亚表面损伤层深度,减少了后续抛光时间,提高了加工效率。

(3)进一步完善抛光磨料悬浮液水选技术,获得不同粒度分布的抛光液,降低了对高端抛光粉的要求,减少了光学基片的抛光层、亚表面损伤层厚度,提高了光学基片的光洁度和降低了光学基片的粗糙度。

(4)发明三种高性能抛光模,通过研究不同抛光沥青、抛光粉的性能,结合熔石英光学基片的抛光情况,提出三种不同性质的抛光模制作方法,得到适用于抛光过程不同阶段的抛光模,提高光学基片的面形精度、光洁度,降低光学基片的的亚表面损伤和表面粗糙度。

(5)抛光液PH值对亚表面损伤裂纹深度、表面粗糙度的影响规律研究。通过研究抛光过程中抛光液PH值对亚表面损伤裂纹深度、表面粗糙度的影响,提出在抛光液中通过添加氢氧化钠溶液将抛光液PH值调节至弱碱性时有利于缓解水解层的形成,减小了抛光层厚度和亚表面损伤层深度。

(6)采用化学蚀刻-弱应力抛光-化学蚀刻相结合的循环加工的超微损伤加工方法,完全消除光学基片表面的抛光层,实现对大口径熔石英光学基片的超微损伤加工,在大口径熔石英光学基片上获得超微损伤表面。

技术指标

(1)研制的大口径超微损伤光学基片表面光洁度好。在尺寸大口径熔石英光学基片上获得超微损伤表面,在质量分数为5%的氢氟酸溶液浸泡5分钟,表面光洁度满足:长度大于0.2mm的划痕总长不超过20mm,划痕宽度小于0.03mm;直径大于0.01mm的麻点总数量不多于15个。

(2)研制的大口径超微损伤光学基片的面形精度高,面形精度PV≤0.15λ,0°反射波前畸变PV≤0.33λ,测试波长λ为632.8nm。

(3)研制的大口径超微损伤光学基片的表面光滑,表面粗糙度优于0.5nm。

技术路线

技术实现路线主要分为三个阶段,即研磨过程、抛光过程、超微损伤加工过程,

研磨过程

通过对研磨过程的工艺参数进行精确控制实现光学基片的面形精度、亚表面裂纹深度进行精确控制。研磨过程涉及的工艺参数较多,包括:磨料粒度、研磨盘硬度、研磨压强、研磨速度、研磨液浓度及去除量。研磨工艺参数与面形精度、亚表面裂纹深度之间的关系复杂,粒度大磨料对光学基片的研磨去除率高,但亚表面裂纹深度随磨料粒度增大而增大;磨盘硬度大有利于保持磨盘面形而使光学基片得到很好的面形精度,但亚表面裂纹深度随磨盘硬度增大而增大;研磨压强增大有利于提高去除率,但也会加深亚表面裂纹;研磨速度增加,亚表面裂纹深度先是增加后减小;亚表面裂纹深度与研磨液浓度成反相关关系;去除量增加有利于降低亚表面裂纹深度。改进传统研磨方式,通过设计制作新型的磨盘、研磨工装、选择不同的磨料、改进研磨工艺对光学基片进行分阶段研磨,研磨过程分为粗磨和精磨2个阶段。

研磨开始前需对玻璃毛坯进行检验,毛坯的示意图如上图所示。毛坯的材料为JGS1熔石英,样品尺寸为260×200×40.8mm,具体尺寸可根据客户要求定制,毛坯厚度余量面S1、S2为需要研磨的表面,毛坯状态下,面S1、S2已经过铣磨,其表面粗糙度约为3.2μm。

粗磨阶段主要去除光学基片磨削成型时引起的变形层。该阶段采用型号为JP065A的单轴研磨抛光机,其磨盘直径为0.65m,材料为铸铁,硬度为2200MPa,磨料先后采用金刚砂W40、W28、W20进行研磨。粗磨完成时,光学基片指标达到:厚度余量0.3mm±0.1mm,面S1、S2的平行度达到0.01mm,平面度达到0.03mm,表面粗糙度达到2μm,表面砂眼均匀,无划痕。

 

精磨阶段采用型号为JP12A的大单轴研磨机,采用新型的自主研发制作的研磨盘,磨盘直径1.2m,材料为黄铜,硬度为400MPa,开方形槽。

黄铜研磨盘示意图

 

精磨阶段先后采用金刚砂W14、W10、W7进行研磨。同时,在精磨阶段采用公司自主研发设计的分离器式夹持装置(已申请实用新型专利)对光学基片进行低压力均匀研磨,分离器式夹持装置及其工作示意图示如下:

 

分离器式夹持装置剖视图

分离器式夹持装置工作示意图

工作时,先将分离环放在单轴机研磨盘上,将大口径光学基片毛坯无磕碰地放入分离环内,置于单轴机研磨盘上,将挡块扣在十字支撑架上之后装配在分上,调节挡块到合适位置将大口径光学基片毛坯阻挡在分离环中央位置,拧紧挡块顶部螺栓,十字支撑架上安装铁笔接头连接单轴机摆轴铁笔。这时在单轴机研磨盘上加入所需磨料,启动研磨盘,夹持装置能随单轴机摆轴摆动,并且能自转,带动大口径光学基片进行研磨。

采用分离器式夹持装置的优点是:

大口径光学基片与夹持器分离,这使已经加工好的大口径光学基片上表面得到很好的保护,减少应因夹持不当造成的损伤;同时大口径光学基片毛坯与夹持器分离,使大口径光学基片受到的压力减小,研磨下盘后大口径光学基片的形变小,面形变化小;另外分离环能对单轴机研磨盘面形进行修整,起到修整磨盘面形的作用。利用该分离器式夹持装置对大口径光学基片进行研磨,能明显提高研磨工作效率、面形精度和表面质量。

大口径光学基片毛坯经过精磨后,其厚度余量减小至0.1mm,面S1、S2的平行度达到0.01mm,平面度达到0.03mm,表面粗糙度达到1.6μm,表面砂眼均匀,无划痕。

1.2m大单轴研磨机的技术参数是:加工范围≤φ800mm;轴向及径向跳动≤0.03mm;主轴转速:0.1-20r/min;摆轴转速:0.1-20r/min;研磨压强:0.1kPa-30kPa。

 

经过研磨,大口径光学基片的表面变得平整,表面粗糙度由3.2μm下降至1.6微米,铣磨过程产生的表面裂纹得到完全去除,表面仅剩下精磨阶段最后一道砂残留的裂纹,缺陷层与变形层重合组成混合层,混合层最大厚度大约为精磨最后一道砂W7的平均粒度的三倍,即其厚度范围是1-21μm,其亚表面结构如下图所示,图中表面锯齿状起伏表示砂眼,起伏在微米量级。

 

研磨后亚表面结构示意图

抛光过程

抛光过程分为三个阶段:以机械磨削为主要作用,以去除研磨阶段残留的裂纹层为主要目的的初抛光阶段;以物理作用为主要特征的,以实现一定面形精度和表面粗糙度为主要目的的精抛光阶段;以化学作用为主要特征的,以初步去除亚表面损伤层的,提高面形精度和降低表面粗糙度的超抛光阶段。

初抛光阶段主要作用为机械磨削,主要任务是去除研磨阶段残留的裂纹层,同时还需尽量减小本道工序留下新的抛光破坏层深度,并保证一定的面型精度。粗抛阶段具体的工艺方案如下:设备是SCW17B型号的数控平面精密环抛机,环抛机的主轴、工件环转速设为5-8r/min;抛光盘用上海元成光学器材有限公司代理的美国产LP-26聚氨酯抛光片;抛光粉用国产的氧化铈抛光粉YJ-520,其平均粒度为2-3微米,抛光液配制方法是量取一定重量的抛光粉与去离子水充分混合,抛光液中抛光粉浓度是50-80g/升。粗抛阶段的去除量、面形精度、表面疵病指标设定为:用千分尺测量,去除量为30-40μm;用太科600mm口径的干涉仪测量,面形PV3-4个波长;在暗房中用聚光灯观察,表面无划痕、麻点。

 

初抛阶段结束时,大口径光学基片的技术参数为:厚度减小至40±0.1mm,面S1S2的平行度达到0.005mm,面形精度达到PV1λ@632.8nm,表面粗糙度达到1.2nm,表面疵病达到:肉眼观测无麻点、划痕。

初抛后干涉仪检测面形图(PV=1.04λ)

精抛光阶段以物理作用为主要特征,主要任务是实现一定面形精度和表面粗糙度,同时还需去除初抛光残留的抛光层。精抛光阶段具体的工艺方案如下:设备是SCW17B型号的数控平面精密环抛机,环抛机的主轴、工件环转速设为4-5r/min;抛光盘是公司自主配制的抛光盘1#;抛光粉是产的氧化铈抛光粉YJ-520,通过一次水选抛光液悬浮液筛选得到平均粒度为1-1.5μm的抛光液。精抛光阶段的去除量、面形精度、表面疵病指标设定为:用千分尺测量,去除量为10-20μm;面形过程检用太科350mm口径的条纹干涉仪,面形终检用太科600mm口径的干涉仪。

精抛光工作示意图

精抛光工作示意图如上,工件置于工件环内,工件环可自转;工件和工件环放置在SCW17B环抛机大理石磨盘上的抛光模1#上,磨料撒于抛光模1#上;大理石磨盘可自转;工件与抛光模1#存在相对运动,从而实现对光学基片下表面进行抛光。抛光模上还压有大理石校正盘,校正盘可自转,用于调节抛光模的面形,从而实现对光学基片抛光面形的有效控制。

 

数控平面精密环抛机

精抛光阶段所用抛光盘1#的制作方法如下:由按重量比为500 份的抛光沥青,和150

的氧化铈粉组成。沥青是用美国环球光学有限公司生产的914CP 抛光沥青即64# 抛光沥青,氧化铈粉粉是平均粒度为2-3微米化铈抛光粉YJ-520。制备步骤:加热熔化抛光沥青、混均、固化、开槽。

加热熔化抛光沥青:把常温状态为固体的64# 抛光沥青置于不锈钢桶中,加热温度至68℃~80℃,熔化成液态抛光沥青;

混均:在68℃~80℃条件下,向64# 液态抛光沥青中加入氧化铈粉,搅拌混合均匀,获得抛光沥青与氧化铈粉混合液;

固化:把抛光沥青与氧化铈混合液倾倒在环抛机大理石磨盘上,自然冷却固化,获得光学

元件的抛光盘。

开槽:在已经固化的抛光盘上开储料槽,完成抛光盘制作。

本抛光模在64#沥青添加氧化铈粉主要目的是调节抛光模的硬度与熔石英光学基片匹配。64#沥青本身较软,抛光盘面形不稳定,不利于高精度面形抛光,而通过添加氧化铈粉能增加抛光盘硬度,在大口径熔石英光学基片获得高精度面形的同时使表面粗糙度、表面疵病得到很好控制。

精抛光完工时,大口径光学基片的技术参数为:面形精度达到PV1/2λ@632.8nm,表面粗糙度达到0.8nm,表面疵病达到:在暗房中用聚光灯观察,表面无划痕、麻点。

精抛后干涉仪检测面形图(PV=0.53λ)

超抛光阶段

超抛光阶段以化学作用为主要特征,主要任务是初步去除亚表面损伤层,同时提高面形精度和降低表面粗糙度。超抛光阶段的主要工艺方案如下:设备是采用磨盘直径为2.5m的数控精密平面环抛机,环抛机的主轴、工件环转速设为0.6-0.8r/min;抛光盘是公司自主配制的抛光盘2#;抛光粉是国产的氧化铈抛光粉YJ-701,通过二次水选抛光液悬浮液筛选得到平均粒度为0.1-1μm的抛光液。抛光液中还需添加氢氧化钠溶液调节其PH值至8。弱碱性抛光液有利于去除光学基片抛光层中的水解层。

大口径数控精密平面环抛机

超抛光阶段所用抛光盘2#的制作方法如下:由按重量比为500 份的抛光沥青,和200 份的氧化铈粉组成。沥青是用美国环球光学有限公司生产的914CP 抛光沥青即64# 抛光沥青,氧化铈粉是平均粒度为1微米氧化铈抛光粉YJ-701。制备步骤:加热熔化抛光沥青、混均、固化、开槽。

加热熔化抛光沥青:把常温状态为固体的64# 抛光沥青置于不锈钢桶中,加热温度至68℃~80℃,熔化成液态抛光沥青;

混均:在68℃~80℃条件下,向64# 液态抛光沥青中加入氧化铈粉YJ-701,搅拌混合均匀,获得抛光沥青与氧化铈粉混合液;

固化:把抛光沥青与氧化铈混合液倾倒在环抛机大理石磨盘上,自然冷却固化,获得光学

元件的抛光盘。

开槽:在已经固化的抛光盘上开储料槽,完成抛光盘制作。

本抛光盘在64#沥青添加氧化铈粉主要目的是调节抛光模的硬度与熔石英光学基片匹配,能进一步在大口径熔石英光学基片获得高精度面形的同时降低表面粗糙度、表面疵病。

超抛光阶段的去除量、面形精度、表面疵病指标设定为:去除量通过计算累计抛光时间衡量,抛光时间8小时;600mm口径的干涉仪测量,面形精度达到PV0.15λ@632.8nm;粗糙度达到0.32nm;表面疵病要求:在暗房中用聚光灯观察,表面无划痕、麻点。

超抛光后600mm口径干涉仪检测面形图(PV=0.12λ)

 

 

经过超抛光阶段,熔石英光学基片的表面结构已经发生改变,缺陷层、变形层已经压缩到抛光层的深度内,深度在0.1~1μm,其亚表面结构示意图如下。

超抛光后亚表面结构示意图

超抛光后表面粗糙度AFM测试(表面粗糙度RMS达到0.32nm

超微损伤加工阶段

超微损伤加工阶段采用以化学蚀刻-弱应力抛光-化学蚀刻相结合的循环加工方式,主要任务是最终消除抛光阶段残留的抛光水解层,露出光学基片材料本体,同时保证面形精度和表面粗糙度。

化学蚀刻是用HF酸与NH4F配制的混合溶液作为蚀刻液,通过精确控制蚀刻液的浓度、温度、蚀刻时间对光学基片的蚀刻深度实现精确控制,以去除抛光层。蚀刻液的配制方法如下:按重量比为97.5份去离子水,和2.5份浓度为40%氢氟酸溶液,再加入15份的NH4F颗粒充分搅拌,使用PH试纸测试其PH值,初始值为4。超微损伤加工的步骤如下:(1)化学蚀刻:在温度为20℃±1℃的条件下,将完成抛光的大口径熔石英光学基片浸泡在蚀刻液中2分钟后取出,用大量清水冲洗,之后用酒精脱水晾干。(2)过程检验:用干涉仪检测面形精度,在暗房检测表面疵病,记录检测数据。(3)弱应力抛光:设备采用JP15A单轴研磨抛光机,采用镜体在下抛光盘在上的工作方式,主轴转速为5r/min,摆轴转速为6r/min

 

抛光盘采用公司自主研制的抛光盘3#,抛光压强设置为0.1kg,施加镜体上表面的压力很小,形成弱应力抛光环境;抛光粉是国产的氧化铈抛光粉YJ-701,通过三次水选抛光液悬浮液筛选得到平均粒度为0.1-0.5μm的抛光液。抛光液中还需添加氢氧化钠溶液调节其PH值至8。弱碱性抛光液在这阶段有利于缓解光学基片抛光层中的水解层形成。

弱应力抛光示意图

弱应力抛光阶段用的抛光盘3#制作方法如下:由按重量比为300份的抛光沥青64#200份的抛光沥青55#,和50 份的氧化铈粉组成。沥青是用美国环球光学有限公司生产的64# 抛光沥青和55#抛光沥青,氧化铈粉是平均粒度为1微米氧化铈抛光粉YJ-701。制备步骤:加热熔化抛光沥青、混均、固化、开槽。

加热熔化抛光沥青:把常温状态为固体的64# 抛光沥青置于不锈钢桶中,加热温度至68℃~80℃,熔化成液态抛光沥青;

混均:在68℃~80℃条件下,向64# 液态抛光沥青中加入55# 抛光沥青和氧化铈粉YJ-701,搅拌混合均匀,获得抛光沥青与氧化铈粉混合液;

固化:把抛光沥青与氧化铈混合液倾倒平面基片上,自然冷却固化,获得光学元件的抛光盘。

开槽:在已经固化的抛光盘上开储料槽,完成抛光盘制作。

弱应力抛光阶段所用抛光盘3#64#沥青添加55#沥青、氧化铈粉的主要目的是制作一种适用于熔石英光学基片超微损伤的弱应力环境。软的64#沥青与更软的55#沥青混合成为一种较软的材料,而添加氧化铈粉,则是保持胶盘的面形稳定性,并且混合的抛光粉在弱应力抛光过程中可对光学基片产生均匀的磨削抛光作用。弱应力抛光阶段能达到修整光学基片因化学蚀刻引起的面形精度下降和表面粗糙度变差的问题。

对化学蚀刻之后的光学基片进行检验,检验的主要指标的表面划痕、麻点及面形精度,合格后放行,否则转入超微损伤过程进入循环加工直至表面划痕、麻点及面形精度等指标合格为止。

 

超微损伤加工过程光学基片亚表面结构发生变化,其变化过程如下图。在抛光过程完成时,光学基片亚表面结构为:抛光表面水解层厚度为0.1-1μm,主要是抛光过程硅酸盐与水发生水解反应生成的硅酸凝胶和嵌入的抛光粉颗粒(0.1-1μm)及抛光过程产生的抛光点、划痕和残余应力等。经过第一次化学蚀刻后,抛光水解层被去除,露出玻璃材料基体,但由于抛光水解层的厚度不均及化学蚀刻在大范围的蚀刻速率不均,可能导致第一次化学蚀刻后的面形精度下降,因此需要进入弱应力抛光阶段,对基片面形进行修整。弱应力抛光后,基片表面再次形成抛光水解层,厚度为0.1μm,这时的抛光水解层相对较薄,厚度均匀,主要是水解反应产生的硅酸凝胶和嵌入的微小抛光粉颗粒(0.1-0.5μm),不存在抛光点、划痕等。经过多次化学蚀刻-弱应力抛光-化学蚀刻循环加工后,抛光水解层得到最终去除,露出光学基片材料基体,该表面就是超微损伤表面,其具有较高的面形精度、好的表面粗糙度及光洁度。用600mm口径干涉仪检测面形,其面形精度PV优于0.15λ,0°反射波前畸变优于0.3λ,测试波长λ为632.8nm;用原子力显微镜检测表面粗糙度,其表面粗糙度RMS优于0.5nm,用轮廓仪检测表面粗糙度Rq达到0.2nm

超微损伤加工过程亚表面结构变化图

 

检测结果:

超微损伤加工过程完工时,应用于超短超强激光领域的高精度大口径超微损伤光学基片技术指标达到:面形精度PV0.16λ@632.8nm;表面粗糙度RMS达到0.2nm;表面光洁度满足:在质量分数为5%的氢氟酸溶液浸泡5分钟,长度大于0.2mm的划痕总长不超过200mm,划痕宽度小于0.03mm;直径大于0.01mm的麻点总数量不多于15个。

 

超微损伤加工后干涉仪检测面形图(PV=0.09λ)

 

 超微损伤加工后表面粗糙度AFM测试(表面粗糙度RMS达到0.2nm

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该资讯的关键词为:高精度  大口径  超微损伤  零损伤  超光滑平面  高损伤阈值