一種離子束彈性域刻蝕提升激光損傷閾值的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及提升光學(xué)零件拋光后的KDP晶體的激光損傷閾值，具體為一種KDP晶體表面離子束彈性域刻蝕拋光工藝。
技術(shù)背景
[0002]KDP晶體是一種典型的軟脆功能晶體材料，具有優(yōu)異的非線性光學(xué)特性，上世紀(jì)50年代，KDP作為性能優(yōu)良的壓電晶體材料，主要被應(yīng)用于制造聲納和民用壓電換能器。同時(shí)KDP晶體又是一種性能優(yōu)良的電光晶體材料，隨著60年代激光技術(shù)出現(xiàn)，該晶體在高功率激光系統(tǒng)受控?zé)岷朔磻?yīng)、核爆模擬等重大技術(shù)上更顯現(xiàn)出它的應(yīng)用前景KDP類晶體是目前唯一可用于激光核聚變工程中的非線性光學(xué)材料。然而，由于其質(zhì)軟、易碎、熱敏感性高等特征，使得大尺寸、高質(zhì)量的KDP晶體被公認(rèn)為最難加工的光學(xué)元件之一。
[0003]目前國(guó)內(nèi)外用于KDP晶體加工的方法主要有精密磨削、單點(diǎn)金剛石車削(STOT)、磁流變拋光(MRF)和離子束拋光(IBF)。目前大口徑的KDP晶體主要應(yīng)用在高功率激光系統(tǒng)中，系統(tǒng)對(duì)晶體的抗激光損傷能力有極高的要求，比如美國(guó)的NIF裝置要求KDP晶體的激光損傷閾值達(dá)到8J/cm2.3ω (5ns)，這就要求KDP晶體的加工能力不僅要保證高精度面形，還要有高的表面質(zhì)量。
[0004]目前，KDP晶體的一條加工路線是，首先采用超精密車削技術(shù)(STOT)將晶體面形控制到較高水平，一般面形峰谷值(PV)小于2 λ ( λ = 632.8nm)，后續(xù)采用磁流變拋光進(jìn)一步提高面形精度，使得其面形精度和表面質(zhì)量達(dá)到強(qiáng)光光學(xué)系統(tǒng)的要求，一般面形PV值小于0.2 λ，表面粗糙度RMS值小于1.5nm。但是，采用磁流變拋光KDP晶體有一些問題需要解決，一是拋光后表面的清洗，拋光后晶體表面會(huì)有少量的磁流變液體殘留，表面殘留物的存在會(huì)影響晶體的表面質(zhì)量；二是晶體表面初始存在SPDT留下的亞表面損傷，晶體的抗激光損傷能力受到限制，磁流變拋光不能完全去除，如果磁流變拋光材料去除量過大，保證去除亞表面損傷，就會(huì)破壞晶體的表面粗糙度。目前希望有一種技術(shù)可以清洗掉晶體表面殘留的雜質(zhì)，同時(shí)不破壞表面質(zhì)量。磁流變液的組成成分主要有少量去離子水、有機(jī)醇、鐵粉，殘留物主要是有機(jī)醇和鐵粉。由于KDP晶體質(zhì)軟，不合理的清洗方法很容易造成表面出現(xiàn)明顯的劃傷，如圖1所示(500X)。傳統(tǒng)清洗工藝中使用酒精作為清洗劑對(duì)拋光后的晶體表面進(jìn)行清洗，表面清洗后會(huì)殘留少量的酒精，雖然酒精易揮發(fā)，但是在酒精揮發(fā)的過程中會(huì)吸收空氣中的水分子，于是在晶體表面就容易形成大量小的KDP晶體的溶池，這些溶池是酒精、KDP、水的混合溶液，混合溶液中的水分子蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致KDP晶體的重生長(zhǎng)，形成晶體表面的局部潮解，如圖2所示，最終影響KDP晶體的表面質(zhì)量。KDP晶體屬于熱敏感性材料，處理過程中，如果不合理的工藝造成了晶體內(nèi)部出現(xiàn)溫度梯度，從而形成熱應(yīng)力場(chǎng)，容易造成晶體的開裂。這一系列問題導(dǎo)致目前KDP晶體的清洗遇到了較大的困難，要解決這一問題的難點(diǎn)是:如何在保證表面不出現(xiàn)劃痕、不破壞高精度質(zhì)量高表面的情況下，實(shí)現(xiàn)KDP晶體的表面清洗，去除晶體表面可能存在的亞表面缺陷從而有效的提升晶體的激光損傷閾值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種離子束彈性域刻蝕提升激光損傷閾值的方法，它能保證清除晶體表面殘留的有機(jī)醇和鐵粉，并能確保在清除鐵粉的過程中表面不出現(xiàn)劃痕、不破壞表面質(zhì)量，同時(shí)通過彈性域刻蝕去除超精密車削過程中引入的在磁流變拋光沒有完全去除的亞表面缺陷，從而有效的提升KDP晶體的抗激光損傷能力。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]—種離子束彈性域刻蝕提升激光損傷閾值的方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1，在磁流變機(jī)床上進(jìn)行KDP晶體的拋光；
[0009]步驟2，將拋光后的KDP晶體取下，迅速放入干燥的通有干燥空氣的風(fēng)淋臺(tái)中；
[0010]步驟3，在KDP晶體上用滴管滴加二甲苯，將其表面整個(gè)都浸潤(rùn)純凈的二甲苯中，10秒后，使用擦鏡紙輕掠過晶體表面，輕輕擦出表面殘留的雜質(zhì)，注意擦鏡紙為一次性使用，使用過的擦鏡紙表面沾有鐵粉，重復(fù)使用很容易刮傷晶體表面；其中二甲苯的濃度為99.3%以上。
[0011]步驟4，將KDP晶體放置在風(fēng)淋臺(tái)中，直到晶體表面的二甲苯完全揮發(fā)；
[0012]步驟5，將KDP晶體取出，采用離子束拋光的方法，均勻掃描，保證表面材料去除均勻。離子束拋光的參數(shù)為:入射離子能量ε = 300-1200eV、峰值束流密度J = 3-10mA/cm2、掃描行間距u = 0.5mm-2mm、離子束移動(dòng)速度為30-1000mm/min、KDP晶體傾斜角度Θ=0° -60°，整個(gè)過程中的材料去除量δ = 60nm-600nm ；
[0013]步驟6，將離子束拋光后的KDP晶體放入干燥箱，即完成整個(gè)離子束拋光過程。本發(fā)明除了需要保證清除晶體表面殘留的污染物外，由于KDP晶體質(zhì)地柔軟、脆性大、熱膨脹系數(shù)高，離子束拋光存在明顯的熱效應(yīng)，加工過程中產(chǎn)生的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)極易導(dǎo)致KDP晶體發(fā)生開裂，還需要解決離子束拋光過程中晶體元件的安全。本發(fā)明通過仿真離子束拋光過程中的溫度場(chǎng)變化，了解了離子束拋光過程中離子束對(duì)KDP晶體造成的非均勻加熱產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度場(chǎng)及其引起的熱應(yīng)力場(chǎng)，建立離子束加工過程中KDP晶體的熱應(yīng)力模型，然后通過適當(dāng)?shù)墓に?，控制拋光過程中的工藝參數(shù)，成功的避免了 KDP晶體在拋光過程中因?yàn)榇蟮臏囟忍荻榷_裂。
[0014]本發(fā)明中優(yōu)選的拋光參數(shù)是:入射離子能量ε = 400eV、峰值束流密度J = 4mA/cm2、掃描行間距u = 1.5、離子束移動(dòng)速度為F = 500mm/min (0.0083m/s)、KDP晶體傾斜角度Θ =60°，整個(gè)過程中的材料去除量δ = lOOnm。
[0015]本發(fā)明中，所有的加工過程中環(huán)境空氣濕度在45%?55%。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0017]1、本發(fā)明可以避免KDP晶體在清洗過程中的霧化，傳統(tǒng)清洗工藝中使用酒精作為清洗劑對(duì)拋光后的晶體表面進(jìn)行清洗，表面清洗后會(huì)殘留少量的酒精，雖然酒精易揮發(fā)，但是在酒精揮發(fā)的過程中會(huì)吸收空氣中的水分子，于是在晶體表面就容易形成大量小的KD