一种提升熔石英光学元件损伤阈值的方法

摘要

本发明提供了一种提升熔石英光学元件损伤阈值的方法。熔石英光学元件经清洗剂micro-90和水的混合溶液进行清洗，漂洗、喷淋清洗后；通过氢氟酸水溶液刻蚀，漂洗和喷淋清洗。在整个清洗过程中引入40kHz-270kHz多频超声波清洗。本发明可以有效钝化熔石英元件亚表面损伤层中的划痕，去除不同尺度划痕中的抛光碎屑和抛光杂质，稳定氢氟酸刻蚀工艺，防止刻蚀副产物的再沉积，大幅度稳定的提升元件的损伤阈值。

说明书

技术领域

本发明属于光学元件加工处理技术领域，具体涉及一种提升熔石英光学元件损伤阈值的方法。

背景技术

熔石英是大型高功率激光系统中应用最普遍的光学材料，熔石英材料在光学系统中被广泛应用于制备透镜、窗口和屏蔽片等光学元件。在强激光作用下，熔石英光学元件容易损伤，当损伤点面积总和超过一定比例后，熔石英光学元件将视为彻底损坏而不能继续使用。美国国家点火装置(NIF) 中当熔石英光学元件损伤面积所占比例大于3%时，就将停止使用该熔石英光学元件。如果在光学元件正式投入使用之前经行一系列的清洗，将延长元件的使用寿命，大大降低运行成本，因此，损伤修复或抑制损伤增长具有重要的工程意义和经济价值。

所有的光学材料在足够强的激光辐照下由于内在的过程最终都会损伤。这种本征的光学损伤是由于高能沉积透过多光子电离的结果，取决于材料本身的电子能带结构。熔石英光学材料的本征损伤阈值高达200GW/cm²以上，但是实际运用过程中的熔石英光学元件表面在远小于此通量时就已经发生损伤。

表面损伤产生的根源即为光学损伤前驱，这些光学损伤前驱一般由光学元件抛光时产生的缺陷组成。这些损伤前驱所导致的光吸收增强直接的结果是爆炸并喷射出表面。喷溅所留下的坑状物质尺度从几个微米到数十微米。伴随着这些深坑的形成会有表面的破裂，在高功率或高能激光辐照时，这会导致光学材料的更加退化。随着波长的变短，这种损伤变得更加严重。通常的，通量越高、脉冲越短、损伤强度越高。

光学损伤前驱的密度和种类高度依赖于光学元件的抛光和处理过程。他主要包括光敏杂质，表面裂纹，激光诱导损伤点等。光敏杂质一般来源于抛光过程中的抛光粉。表面裂纹、划痕或者压痕一般产生于光学元件抛光过程中的异形粒子刮擦。

目前增强熔石英光学元件的抗损伤性能，以提高光学元件经受紫外高通量激光辐照时的能力的主要方法是通过改进抛光工艺，如改变抛光材料、或是磁流变抛光。或者是利用低能量激光扫描预处理以暴露光学元件表面的缺陷，然后利用高温退火消除应力提高损伤阈值，还有以氢氟酸刻蚀来处理以获得更高的损伤阈值。

但是抛光工艺需要对技术进行严格的控制，造价高昂，当损伤阈值达到一定高度很难再通过改进抛光工艺来提升损伤阈值。而激光预处理则由于属于点处理，不具有对元件全局处理的能力。利用氢氟酸刻蚀熔石英元件提升损伤阈值，刻蚀的深度一般局限于几百纳米以内，继续深刻蚀则带来损伤阈值提升的不稳定性，最高的提升幅度不超过70%。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种提升熔石英光学元件损伤阈值的方法。

本发明的提升熔石英光学元件损伤阈值的方法，依次包括如下步骤：

1）首先采用清洗剂对熔石英元件进行清洗，然后用去离子水进行漂洗并喷淋；清洗和漂洗过程需要在超声波清洗机中进行；

2）采用刻蚀溶液对熔石英元件进行刻蚀，然后再用去离子水进行漂洗并喷淋；刻蚀和漂洗过程需要在超声波清洗机中进行。

上述步骤1）中所用的清洗剂为micro-90和去离子水，其混合比例为micro-90：去离子水=1:10，清洗的时间不少于30分钟。

上述步骤2）中的刻蚀溶液由氢氟酸、氟化铵和去离子水组成，其混合比例为氢氟酸：氟化铵：去离子水=1：2：4，刻蚀的时间为5~300分钟。

上述步骤1)和步骤2）中的去离子水漂洗的时间不少于30分钟；去离子水喷淋的时间不少于5分钟。

上述步骤1）和步骤2）中所用的超声波的频率为40kHz-270kHz。

上述步骤2）中所用的刻蚀溶液组成成分氢氟酸试剂和氟化铵试剂的纯度为电子级。

上述步骤1）和步骤2）中元件的处理过程需要在千级洁净间进行。

本发明的有益效果是：采用本发明的方法能够对整个光学元件进行处理，通过刻蚀处理方式，能够使抛光沉积层全部去除，使亚表面损伤层中的划痕暴露，并能使划痕尖锐的形貌得以钝化；通过多频超声波辅助刻蚀，可以使不同尺度的划痕钝化，防止刻蚀反应副产物再沉积；通过采用电子级纯度的化学试剂和在千级洁净间环境条件下处理熔石英光学元件，能够有效提升熔石英元件的损伤阈值。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行进一步的说明。

本发明的实施例中的熔石英光学元件材料采用德国贺利氏公司贺利氏312号熔石英材料，规格为Φ50X4毫米。

实施例1

本实施例中用到的化学试剂、清洗剂和超声波设备如下：

Micro-90  International Products Corporation公司  

刻蚀溶液=电子级HF：电子级NH₄F： =1：2：4

去离子水    18MΩ*cm  

超声波清洗机为Blackstone-NEY Ultrasonics公司的multiSONIK^TMgenerator七频超声波清洗机，频率为40kHz，80kHz，120kHz，140kHz，170kHz，220kHz，270kHz 

将待处理熔石英光学元件浸入micro-90：去离子水=1：10清洗液中清洗30分钟，用去离子水漂洗30分钟,喷淋5分钟；然后浸入刻蚀溶液中刻蚀5分钟，用去离子水漂洗90分钟，再喷淋30分钟，自然晾干。上述清洗、刻蚀、漂洗过程均在千级洁净环境和40-270kHz超声波清洗机中进行，晾干过程在千级洁净环境中进行。在下表1中列出损伤阈值测试数据。

实施例2

本实施例与实施例1相同，所不同之处在于熔石英光学元件在刻蚀溶液中刻蚀时间为60分钟。在下表1中列出损伤阈值测试数据。

实施例3

本实施例与实施例1相同，所不同之处在于熔石英光学元件在刻蚀溶液中刻蚀时间为120分钟。在下表1中列出损伤阈值测试数据。

实施例4

本实施例与实施例1相同，所不同之处在于熔石英光学元件在刻蚀溶液中刻蚀时间为300分钟。在下表1中列出损伤阈值测试数据。

对比例1  

本对比例中用到的化学试剂为：

Micro-90  International Products Corporation公司

无水乙醇  分析纯

去离子水    18MΩ*cm

将待处理熔石英光学元件浸入micro-90：去离子水=1：10清洗液中，浸泡清洗30分钟，用去离子水喷淋30分钟,无水乙醇脱水处理，自然晾干。在下表1中列出损伤阈值测试结果。

对比例2

本对比例中用到的化学试剂为

Micro-90  International Products Corporation公司

去离子水    18MΩ*cm

刻蚀溶液=分析纯HF：分析纯NH4F=1：2：4

将待处理熔石英光学元件浸入micro-90：去离子水=1：10清洗液中，浸泡清洗30分钟，用去离子水喷淋30分钟,然后将元件浸入刻蚀溶液中刻蚀5分钟，用去离子水漂洗90分钟，再喷淋30分钟，自然晾干。在下表1中列出损伤阈值测试结果。

对比例3

本对比例与对比例2相同，所不同之处在于熔石英光学元件在刻蚀溶液中刻蚀时间为60分钟。在下表1中列出损伤阈值测试数据。

对比例4

本对比例与对比例2相同，所不同之处在于熔石英光学元件在刻蚀溶液中刻蚀时间为120分钟。在下表1中列出损伤阈值测试数据。

对比例5

本对比例与对比例2相同，所不同之处在于熔石英光学元件在刻蚀溶液中刻蚀时间为300分钟。在下表1中列出损伤阈值测试数据。

下表1列出了各种实例所得到的熔石英光学元件的损伤阈值，从结果可以看出通过本发明的处理，损伤阈值从4.8提升到12J/cm²，提高了150%。

表1