一種離子束彈性域刻蝕提升激光損傷閾值的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及提升光學零件拋光后的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。
技術背景
[0002]KDP晶體是一種典型的軟脆功能晶體材料，具有優異的非線性光學特性，上世紀50年代，KDP作為性能優良的壓電晶體材料，主要被應用于制造聲納和民用壓電換能器。同時KDP晶體又是一種性能優良的電光晶體材料，隨著60年代激光技術出現，該晶體在高功率激光系統受控熱核反應、核爆模擬等重大技術上更顯現出它的應用前景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材料。然而，由于其質軟、易碎、熱敏感性高等特征，使得大尺寸、高質量的KDP晶體被公認為最難加工的光學元件之一。
[0003]目前國內外用于KDP晶體加工的方法主要有精密磨削、單點金剛石車削(STOT)、磁流變拋光(MRF)和離子束拋光(IBF)。目前大口徑的KDP晶體主要應用在高功率激光系統中，系統對晶體的抗激光損傷能力有極高的要求，比如美國的NIF裝置要求KDP晶體的激光損傷閾值達到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(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)，后續采用磁流變拋光進一步提高面形精度，使得其面形精度和表面質量達到強光光學系統的要求，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，拋光后晶體表面會有少量的磁流變液體殘留，表面殘留物的存在會影響晶體的表面質量；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，就會破壞晶體的表面粗糙度。目前希望有一種技術可以清洗掉晶體表面殘留的雜質，同時不破壞表面質量。磁流變液的組成成分主要有少量去離子水、有機醇、鐵粉，殘留物主要是有機醇和鐵粉。由于KDP晶體質軟，不合理的清洗方法很容易造成表面出現明顯的劃傷，如圖1所示(500X)。傳統清洗工藝中使用酒精作為清洗劑對拋光后的晶體表面進行清洗，表面清洗后會殘留少量的酒精，雖然酒精易揮發，但是在酒精揮發的過程中會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會導致KDP晶體的重生長，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部出現溫度梯度，從而形成熱應力場，容易造成晶體的開裂。這一系列問題導致目前KDP晶體的清洗遇到了較大的困難，要解決這一問題的難點是:如何在保證表面不出現劃痕、不破壞高精度質量高表面的情況下，實現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。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，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醇和鐵粉，并能確保在清除鐵粉的過程中表面不出現劃痕、不破壞表面質量，同時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]為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是:
[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，在磁流變機床上進行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淋臺中；
[0010]步驟3，在KDP晶體上用滴管滴加二甲苯，將其表面整個都浸潤純凈的二甲苯中，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，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晶體放置在風淋臺中，直到晶體表面的二甲苯完全揮發；
[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、離子束移動速度為30-1000mm/min、KDP晶體傾斜角度Θ=0° -60°，整個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，即完成整個離子束拋光過程。本發明除了需要保證清除晶體表面殘留的污染物外，由于KDP晶體質地柔軟、脆性大、熱膨脹系數高，離子束拋光存在明顯的熱效應，加工過程中產生的溫度場和熱應力場極易導致KDP晶體發生開裂，還需要解決離子束拋光過程中晶體元件的安全。本發明通過仿真離子束拋光過程中的溫度場變化，了解了離子束拋光過程中離子束對KDP晶體造成的非均勻加熱產生的瞬態溫度場及其引起的熱應力場，建立離子束加工過程中KDP晶體的熱應力模型，然后通過適當的工藝，控制拋光過程中的工藝參數，成功的避免了 KDP晶體在拋光過程中因為大的溫度梯度而開裂。
[0014]本發明中優選的拋光參數是: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、離子束移動速度為F = 500mm/min (0.0083m/s)、KDP晶體傾斜角度Θ =60°，整個過程中的材料去除量δ = lOOnm。
[0015]本發明中，所有的加工過程中環境空氣濕度在45%?55%。
[0016]與現有技術相比，本發明的優點在于:
[0017]1、本發明可以避免KDP晶體在清洗過程中的霧化，傳統清洗工藝中使用酒精作為清洗劑對拋光后的晶體表面進行清洗，表面清洗后會殘留少量的酒精，雖然酒精易揮發，但是在酒精揮發的過程中會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