光学元件表面微观特征与加工工艺的相关性研究

在阅读此文之前，麻烦您点击一下“关注”，既方便您进行讨论和分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持。

文|娱秘探

编辑|娱秘探

前言

激光以其特有单色性、相千性、方向性等优势，被广泛应用到生物医学、工业制造、军事国防等多个研究领域。

为人类和社会带来了极大便捷和创造价值，如今，随着科学技术的飞速发展以及大型激光装置的广泛应用，对激光功率的需求越来越高。

本文主要分析不同抛光工艺下的，光学元件与其表面微观结构之间的量化关系。

典型抛光工艺制备样件

离子束抛光工艺参数，离子束抛光中以加速电压、氩气流量、射频功率和抛光时间为控制参数。

磁流变抛光制备样品是在磁流变抛光机上完成的，通过正交实验，从而确定了最优抛光工艺参数。

在传统抛光机上加工K9和熔石英元件，首先用12％的WI4金刚砂研磨液在研磨机上对样品进行粗磨，磨削掉毛玻璃的大部分余量，保证样品基本的面型和表面粗糙度。

再用12％的W5金刚砂研磨液进行下一步精磨，进一步改善光学元件的表面质量，减小表面粗糙度。

研磨结束后，再用8％的氧化铈配置抛光液，在抛光机上对研磨之后的光学元件进行抛光。

离子束光与元件表面质量关系实验研究

离子束抛光加工的光学元件一般具有面型精度高、各向同性好、表面缺陷小等优点。

离子束抛光是利用具有能量的离子源来轰击元件表面以去除表面材料，能够改变光学元件的表面形貌，但也会因为某些加工因素的的干扰而产生一定的表面缺陷。

离子束抛光完成后，用白光千涉仪对样品加工面进行检测，加工后的K9元件表面形成凹沟、小丘、圆锥、蜂窝状结构的表面质量缺陷，加工后的熔石英元件表面则产生了蚀坑缺陷。

再结合测量数据来看，表面粗糙度Sa数值都偏小，变化量也不大，两者数值变化范围都较小，表明离子束抛光加工的光学元件面型精度较高，表面粗糙度小。

但离子束抛光后两种光学材料的表面微观形貌有很大的差别，K9元件经离子束抛光后表面产生了小丘、圆锥等结构缺陷，形成了沟壑纵横的复杂微观形貌。

熔石英元件表面则主要产生了大量蚀坑缺陷，这两种微观形貌都导致了元件的表面微观特征与加工工艺的相关性研宂微观轮廓整体起伏较大，表面不平整度较高。

这也体现在了Sz数值的变化上，元件的表面粗糙度Sz数值的变化幅度很大，反之也验证了元件表面微观轮廓曲线起伏变化很大。

离子束抛光是利用具有能量的离子束来轰击元件表面以去除元件表面材料，达到改善元件表面微观形貌的效果。

在加工过程中，会因受到离子束能量、氧气流量、离子束与被加工件的入射角度以及抛光时间等抛光因素的影响而产生蚀坑、小丘、圆锥、蜂窝状结构等表面质量缺陷。

由于离子束去除元件表面材料并不是连续的，因此会在元件表面形成沟壑纵横的表面微观形貌。

从加工出来的光学元件表面检测数据来看，离子束抛光加工元件的表面精度较高，可以加工一些高品质元件。

束变抛光与元件表面质量关系实验研究

一般情况下，在磁流变抛光大口径光学元件的过程中会产生一定的面型误差，当抛光去除样品中心区域的材料过多时，就会导致元件面型四周高于中心区域，称为翘曲。

反之，当抛光去除样品四周区域的材料过多时，就会导致元件面型中心高于四周区域，称为塌边。

因为磁流变抛光液具有很好的流动性，所以能够在抛光过程中始终贴合元件表面，以降低光学元件的面形误差。

在磁流变抛光加工光学元件的过程中，磨头的走向是按照设定好的程序轨迹运行的，而并非是连续的，因此，加工完成后会在元件表面留下一定的抛光运行轨迹。

磁流变抛光加工样品完成后，使用白光干涉仪对光学元件的加工面进行检测，磁流变抛光样品的表面微观形貌图，可以清楚的看到抛光元件的测量数据。

表面粗糙度Sa、Sｑ数值较低，但Sz数值还是偏大，说明磁流变抛光加工的光学元件表面精度较高，表面质量较好。

但同样地，跟离子束抛光一样，加工的元件表面微观轮廓整体起伏很大，加工后的K9元件表面产生了明显的“彗尾”划痕缺陷。

经分析认为，这是由于抛光过程中，抛光液中存在较大颗粒抛光粒或混入了杂质，导致磨头在抛光运行过程中挤压元件表面而产生了划痕。

加工后的熔石英表面留下很明显的加工运行轨迹，抛光后的元件表面产生的表面缺陷导致检测到的表面粗糙度Sz值较大，因此元件的表面微观轮廓起伏很大，表面不平整度较高。

通过白光干涉仪的检测结果发现，磁流变抛光制得的光学元件同样存在麻点、凹坑等表面缺陷。

经分析认为，这是由于抛光过程中，磁流变抛光液中存在的某些颗粒较大的抛光粒或者杂质，在磨头的运行过程中挤压元件表面而导致的表面缺陷。

在磁流变抛光过程中，磁流变抛光液具有一定的流动性，能够很好地粘附于加工件的表面，并且磨头是按照一定的运行轨迹区域性地进行抛光去除元件的表面材料。

因此，该抛光方式相较于离子束加工而言，能够在一定程度上修复元件表面凹凸不平的微观结构，并且不会出现沟壑纵横的表面微观形貌。

但由于磁流变抛光过程中磨头是按照设定好的程序进行区域性地抛光而并非是连续性的，因此会在抛光完成后，元件表面留下一定的抛光运行轨迹。

磁流变抛光液磨削元件表面是由磁流变液中的磁性颗粒来实现的，如果磁流变液体中的磁性颗粒是细小的结构，则在抛光完成后的元件表面可以看到精细的刮擦状结构。

如果磁性粒子太大，则会因为存在杂质而将除去过量的表面材料，或者当它们嵌入到工件表面时，就会出现“彗尾”划痕现象。

传统抛光与元件表面质量关系实验研究

用传统抛光加工K9和熔石英两种光学材料，经过研磨、抛光完成加工后，对其加工面进行形貌检测，得到的表面形貌信息。

对检测后的光学元件表面微观形貌进行分析，可以看出抛光后的光学兀件表面粗糙度Sa数值较小，力口工精度较高，样品表面整体比较平滑。

但两种材料经传统抛光后表面均出现了划痕和凹坑缺陷，所以元件的表面微观轮廓不平整度起伏很大，导致Sz数值较大。

经分析认为，这可能是由于研磨或者抛光过程中混入了其它较大颗粒杂质，导致样品表面被划伤。

传统抛光是通过研磨和抛光两个工艺步骤对元件表面进行加工的，研磨分为粗磨和精磨两个过程，粗磨主要是磨削掉毛胚的大部分余量，以保证工件的几何形状及其表面粗糙度。

精磨是进一步改善光学元件的表面质量，确保光学元件的表面面型和表面粗糙度能够满足抛光之前的要求，以达到更好的抛光效果。

在传统抛光过程中，抛光膜采用黑色阻尼布，质地较为柔软，加工后的元件表面粗糙度较小，加工精度较高。

但是在抛光过程中，随着工件与抛光膜之间的挤压和摩擦，导致抛光膜的表面形状容易发生变化，且易破损，需要随时进行调整，这对操作人员也有一定的要求和限制性。

镀膜光学元件表面质量分析

为了研究镀膜样品的表面质量，将抛光好的样件切割成小块，在样品表面镀制90nm厚的单层Si02增透膜。

实验开始之前清洁镀膜机，然后检查镀膜机各项功能，查看运行状态是否良好，检测精度是否达标，最后开机。

抽真空镀制薄膜，完成后使镀膜机缓慢进气升至一个标准大气压，开门后将元件取出，放置于离子风机下自然冷却至室温，对真空腔室抽低真空，使其处于真空保存的状态。

镀膜完成后，针对不同抛光方法抛光的光学元件在镀膜前后的表面形貌进行检测对比分析，可以看出镀膜后的元件表面粗糙度与镀膜前相比，表面粗糙度数值有所增大。

同时看到元件表面出现了一些均匀的条纹结构，经分析认为，这可能是由于薄膜干涉，在测试结果上可以看到千涉条纹。

但也可以看到未镀膜表面的一些微观结构，也可能是镀膜不均匀所致，因为镀膜前没有进行加热导致增透膜不致密，所以出现镀膜不均匀的现象。

后期对传统抛光的K9和熔石英元件以及磁流变抛光的K9元件进行研究，在镀膜之前先进行加热，然后用同种镀膜技术在元件表面镀制90nm厚的单层Si02增透膜。

镀膜结束后，用白光干涉仪进行检测，结果发现镀膜后的元件表面粗糙度较镀膜之前相比有所增大，但没有再出现上次均匀的条纹结构，证明条纹结构是因为镀膜前未加热所致。

笔者观点

笔者认为，通过深入研究不同抛光工艺下的光学元件表面微观结构，可以优化光学元件的设计和制造，提高激光系统的效率和性能。

光学元件的性能直接影响到激光技术在各个领域的应用，通过研究可以更好地满足不断增长的激光功率需求。

这项研究还有助于推动光学材料和工艺技术的发展，为未来的科学研究和工程应用提供更多可能性。

参考文献

<1>陈力子.光学材料激光诱导损伤的模拟与实验研究.浙江:浙江大学,2014.

<2>孙承伟,陆启生,范正修等.激光辐照效应.北京:国防工业出版社,2002.

<3>夏晋军,垄辉,程雷等.光学材料的多脉冲激光损伤硏究.光学学报,1997.

<4>郭少锋,陆启生,程湘爱等.光学材料的激光损化形态研究.强激光与粒子束,2002.

<5>邱荣,王俊波,李晓红等.纳秒强激光诱导K9玻璃表面损伤实验.强激光与粒子束,2011.