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在高功率激光装置中,激光光学元件的负载能力往往是至关重要的一环,而光学元件表面加工的缺陷则常常会制约着激光负载能力的提升。对光学元件亚表面缺陷开展深入的研究,有利于分析亚表面缺陷产生成因,控制产生亚表面缺陷的光学加工过程,对于提高光学玻璃的激光损伤阈值具有重要的研究价值和学术意义。
在光学加工过程如研磨、抛光等过程中,由于对光学元件的机械物理作用和化学作用,因而在元件表层下方会不可避免地产生一系列微小的裂纹或孔洞,称之为亚表面缺陷。它是造成元件抗激光损伤能力下降的主要原因之一。亚表面缺陷深度的平均值(SSD)与表面粗糙度p-v值(Rz)之间有一个确定的比例系数,该系数与光学加工的环境有关。目前有许多检测亚表面缺陷的方法,主要分为有损检测和无损检测两大类,各自具有不同的应用范围。
为了获得表面粗糙度和亚表面缺陷程度不一样的样品,我们采用了不同的加工手段。在加工的过程中考虑到了酸蚀的作用,利用酸蚀去除材料的抛光层,扩大裂纹,暴露了亚表面缺陷。之后利用三种检测方法对这些样品进行了检测,分析其亚表面缺陷与加工工艺之间的联系。我们使用了共聚焦荧光显微镜观察了样品的亚表面缺陷结构,得到其三维图像,并估计出样品的亚表面缺陷深度值。利用击坑法这种简易的有损检测方法观测了四组样品的亚表面缺陷,发现因加工方式不同,样品产生的亚表面缺陷会有差别。
最后重点介绍了使用全内反射显微镜法观察样品的亚表面缺陷,结果得到亚表面缺陷的程度与表面粗糙度p-v值是保持相对一致的。抛光可以有效减少亚表面缺陷,在抛光过程中加入酸洗能够打开闭合的裂纹,从而更利于后续的加工过程去除前面所产生的亚表面缺陷,从而可以更好地去除样品的亚表面缺陷。观察得出使用全内反射显微镜法比使用暗场法观察到的样品的亚表面缺陷在数量上以及尺寸上都占有优势。并发现在临界角状态下,全内反射显微镜可以观察到最多的缺陷。当入射角增加时,观察到的缺陷的数目减小。最后提出了一种在光学加工过程中有效控制元件亚表面缺陷的方法。