一种透射型光学基板中结构性缺陷初始损伤特征判定方法

摘要

本发明涉及一种透射型光学基板中结构性缺陷初始损伤特征判定方法，包括：基于泵浦探测技术，建立亚微米空间分辨和纳秒时间分辨的双光束成像系统；制备出具有不同尺寸结构性缺陷的透射型光学基板；获得透射型光学基板同一位置在不同时间的两张图像，比较两张图像上初始损伤的尺寸和轮廓特征的差异，建立不同尺寸结构性缺陷的初始损伤特征；对实际光学基板进行缺陷检测，采用所述双光束成像系统拍摄其损伤行为，并与建立的不同尺寸结构性缺陷初始损伤特征进行比对，实现对透射型光学基板损伤的结构性缺陷的诊断和判定。与现有技术相比，本发明具有对结构性缺陷初始损伤尺寸、生长速率、扩展方向和损伤阈值等信息进行分析的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及透射型光学元件领域，尤其是涉及一种对透射型光学元件内部结 构性缺陷初始损伤特征的诊断和检测方法。

背景技术

透射元件在激光加工、激光武器以及高功率激光系统等领域有着广泛的应用， 是光学系统中必不可少的基本元件。由脆性材料熔石英研磨、抛光而成的、应用于 紫外波段的透射元件，在其制备过程中不可避免地会引入表面和亚表面缺陷，而深 入材料内部的纵向裂纹成为紫外波段激光破坏的主要诱因和元件使用寿命的短板 之一。因此，研究亚表面缺陷的检测技术和去除方法，建立缺陷特征参数与激光损 伤特性的联系，是紫外波段透射元件研究的重要方向和课题。

裂纹缺陷隐藏于表面以下几十纳米至上百微米区域，用普通的方法不能直接 检测，因此缺陷的识别精度是制约检测方法的限制性因素，而一般的检测方法仅是 间接方式推断元件的激光损伤性能，不能确定限制损伤性能提升的缺陷类型和位 置，因此并不是确定性检测方法。

透射元件发生激光损伤的诱因比较复杂，与缺陷类型、缺陷深度密切相关， 并不能简单的以损伤阈值的数值结果为参照对加工工艺进行优化。由表层和深层缺 陷、吸收性和结构性缺陷诱导的损伤在最终形貌上通常都呈现为大小不同的凹坑， 其横向和纵向尺寸分布在亚微米至几百微米不等，但损伤诱因的差异意味着工艺改 进方向的不同。

由于结构性缺陷的局部结构强度和材料边界条件与体材料有显著差别，初始 破坏的生长和膨胀会优先在结构性缺陷的裂纹方向拓展和扩大。基于此，能够对诱 导元件损伤的结构性缺陷特征进行识别和分辨，分析缺陷的产生机制和引入源头， 进而针对性的改进加工工艺。

发明内容

本发明为解决上述技术的不足，提供了一种透射型光学基板中结构性缺陷初始 损伤特征判定方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种透射型光学基板中结构性缺陷初始损伤特征判定方法，用于透射型光学基 板中结构性缺陷的检测和判定，该方法包括：

1)基于泵浦探测技术，建立亚微米空间分辨和纳秒时间分辨的双光束成像系 统；

2)利用压痕仪，在透射型光学基板上压制裂纹，并利用磁流变抛光、仅留下 内部裂纹缺陷，制备出具有不同尺寸结构性缺陷的透射型光学基板；

3)采用所述双光束成像系统获得透射型光学基板同一位置在不同时间的两张 图像，根据两张图像中初始损伤的尺寸差异与延迟时间计算损伤的生长速率，根据 两张图像中初始损伤的生长方向与光学基板表面夹角明确扩展方向，由此建立不同 尺寸结构性缺陷的初始损伤特征；

4)对实际光学基板进行缺陷检测，采用所述双光束成像系统拍摄其损伤行为， 并与建立的不同尺寸结构性缺陷初始损伤特征进行比对，实现对透射型光学基板损 伤的结构性缺陷的诊断和判定。

所述的步骤1)中建立的亚微米空间分辨和纳秒时间分辨的双光束成像系统包 括一泵浦激光器、两长工作距离显微镜、三偏振分光棱镜、一355nm透射、532nm 反射的分光镜和两532nm反射镜，该双光束成像系统工作时，泵浦激光器同时发 出泵浦光、第一探测光和第二探测光，所述泵浦光经分光镜照射在透射型光学基板 上，所述第一探测光依次经两偏振分光棱镜、透射型光学基板和另一偏振分光棱镜 进入一长工作距离显微镜，所述第二探测光依次经一偏振分光棱镜、两反射镜、一 偏振分光棱镜、透射型光学基板和另一偏振分光棱镜进入另一长工作距离显微镜， 所述泵浦光为355nm光，所述第一探测光和第二探测光均为532nm光。

所述步骤2)具体为：

21)利用压痕仪，通过施加不同的荷载在熔石英基板上压制出不同尺寸的压痕 和内部裂纹；

22)利用磁流变抛光去除压头留下的压痕，仅留下内部裂纹缺陷。

所述步骤3)中，采用所述双光束成像系统获得透射型光学基板同一位置在不 同时间的两张图像具体为：

31)泵浦激光器同时发出泵浦光、第一探测光和第二探测光，两长工作距离显 微镜分别拍摄透射型光学基板的侧向损伤行为；

32)调节第一探测光和第二探测光到达透射型光学基板的空间距离，获得各探 测光相对于泵浦光的时间延迟以及两束探测光之间的时间延迟；

33)从低能量开始，逐步增加泵浦光激光能量，直至透射型光学基板发生损坏；

34)同时调节第一探测光相对于泵浦光的时间延迟，获得初始损坏产生的时间 T₁，为0～10ns；

35)调节两束探测光之间的时间延迟T₂为5～20ns，获得同一缺陷在不同时间 的损伤图像。

所述结构性缺陷为裂纹；

所述结构性缺陷初始损伤特征包括激光能量、延迟时间T₁及T₂、初始损伤生 长速率、初始损伤拓展方向、结构性缺陷尺寸和结构性缺陷方向。

所述透射型光学基板包括熔石英基板。

与现有技术相比，本发明基于泵浦探测技术，建立亚微米空间分辨和纳秒时间 分辨的双光束成像系统；并通过调节两束探测光到达被测光学基板的空间距离获得 特定的时间延迟，从而得到在特定的时间延迟下光学基板的损伤行为；并制备不同 尺寸的结构性缺陷，分析归纳不同尺寸结构性缺陷的初始损伤特征，实现结构性缺 陷瞬态损伤行为的诊断和判定。由此，本发明能够对诱导元件损伤的结构性缺陷特 征进行准确识别和分辨，分析缺陷的产生位置和引入源头，进而有针对性的改进加 工工艺。

附图说明

图1为泵浦探测成像系统的结构示意图；

图2为结构性缺陷制备过程示意图；

图3(a)为熔石英基板在激光辐照前的图像；

图3(b)为熔石英基板在激光辐照后、由第一探测光获得的图像；

图3(c)为熔石英基板在激光辐照后、由第二探测光获得的图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本实施例提供一种透射型光学基板中结构性缺陷初始损伤特征判定方法，通过 建立亚微米空间分辨和纳秒时间分辨的成像系统，制备出含有裂纹结构的不同尺寸 的结构性缺陷，建立诱导光学基板损伤的结构性缺陷的初始损伤特征，根据初始损 伤特征对实际光学基板进行结构性缺陷的检测和判定。结构性缺陷为裂纹，结构性 缺陷初始损伤特征包括激光能量、延迟时间T₁及T₂、初始损伤生长速率、初始损 伤拓展方向、结构性缺陷尺寸和结构性缺陷方向。

上述方法具体步骤包括：

1)基于泵浦探测技术，建立亚微米空间分辨和纳秒时间分辨的双光束成像系 统。本实施例中，透射型光学基板为50mm×50mm×10mm的熔石英基板5。

如图1所示，所建立的亚微米空间分辨和纳秒时间分辨的双光束成像系统包括 泵浦激光器1、长工作距离显微镜6和7、偏振分光棱镜8、9和10、分光镜11以 及反射镜12和13，分光镜11为355nm透射、532nm反射的分光镜，反射镜12 和13为532nm反射镜。该双光束成像系统工作时，泵浦激光器同时发出355nm泵 浦光2、532nm第一探测光3和532nm二探测光4，第一探测光3是S光偏振态， 进入长工作距离显微镜6，第二探测光4是P光偏振态，进入长工作距离显微镜7。

泵浦光2经分光镜11照射在熔石英基板5上，第一探测光3依次经偏振分光 棱镜8和9、熔石英基板5和偏振分光棱镜10进入长工作距离显微镜6，第二探测 光4依次经偏振分光棱镜8、两反射镜12和13、偏振分光棱镜9、熔石英基板5 和偏振分光棱镜10进入长工作距离显微镜7。

2)利用压痕仪，在透射型光学基板上压制裂纹，并利用磁流变抛光、仅留下 内部裂纹缺陷，制备出具有不同尺寸结构性缺陷的透射型光学基板，具体为：

21)利用去离子水对熔石英基板5表面进行清洗，并采用高纯氮气吹干；

22)利用压痕仪，使用锥形压头，施加1980mN荷载，作用时间为8s，在熔 石英基板5上压制出5μm深的压痕和1μm深的内部裂纹；

23)利用磁流变抛光去除5μm，去除压痕结构，仅留下局部1μm深的裂纹 缺陷；

24)利用去离子水对熔石英基板5表面进行清洗，采用高纯氮气吹干。

如图2所示，初始熔石英基板a经过压痕仪压制后形成带有凹坑、径向裂纹和 横向裂纹的熔石英基板b，再经磁流变抛光去除凹坑结构，获得仅有内部裂纹结构 的熔石英基板c。

3)采用双光束成像系统获得透射型光学基板同一位置在不同时间的两张图像， 比较两张图像上初始损伤的尺寸和轮廓特征的差异，计算损伤的生长速率和扩展方 向，建立不同尺寸结构性缺陷的初始损伤特征，如图3所示，具体为：

31)泵浦激光器同时发出泵浦光、第一探测光和第二探测光，两长工作距离显 微镜分别拍摄透射型光学基板的侧向损伤行为；

32)调节第一探测光和第二探测光到达透射型光学基板的空间距离，获得各探 测光相对于泵浦光的时间延迟以及两束探测光之间的时间延迟；

33)从1J/cm²开始，以0.1J/cm²梯度逐步增加泵浦光激光能量，直至透射型光 学基板发生损坏；

34)同时调节第一探测光相对于泵浦光的时间延迟，获得初始损坏产生的时间 T₁，T₁可选为0～10ns，本实施例中T₁为5ns；

35)调节两束探测光之间的时间延迟T₂，T₂可选为5～20ns，本实施例中T₂为10ns，获得同一缺陷在不同时间的损伤图像；

36)比较两张图像上初始缺陷的尺寸和轮廓特征的差异，与裂纹对比，计算初 始损伤的生长速率和扩展方向，明确不同尺寸结构性缺陷的初始损伤特征。

4)对实际光学基板进行缺陷检测，采用双光束成像系统拍摄其损伤行为，并 与建立的不同尺寸结构性缺陷初始损伤特征进行比对，实现对透射型光学基板损伤 的结构性缺陷的诊断和判定。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本 发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在 此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不 限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和 修改都应该在本发明的保护范围之内。