王洪祥，朱本溫，王景賀，侯 晶，，陳賢華

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001;2.中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽(yáng) 621900)

光學(xué)元件在切割、研磨、拋光、清洗過(guò)程中，不可避免地會(huì)在材料表面/亞表面區(qū)域產(chǎn)生各種缺陷和雜質(zhì)，這些擴(kuò)展到表面以下深度幾微米甚至幾百微米的缺陷和雜質(zhì)大大降低了高功率固體激光裝置的負(fù)載能力［1－2］.光學(xué)元件的亞表面缺陷是指在機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生于工件近表面區(qū)域的微裂紋、劃痕、變形和污染雜質(zhì)等缺陷［3］.LAMBROPOULOS等人提出了微晶玻璃研磨加工中產(chǎn)生的亞表面缺陷由亞表面裂紋層和殘余應(yīng)力層組成［4］.而美國(guó)LLNL實(shí)驗(yàn)室Hed則認(rèn)為光學(xué)材料拋光后殘留的亞表面損傷層由拋光再沉積層、缺陷層和變形層3部分組成［5］.CAMP等人認(rèn)為拋光加工亞表面缺陷層由水解反應(yīng)產(chǎn)生的水解層(再沉積層)和亞表面缺陷層組成，其中水解層主要是指在拋光過(guò)程產(chǎn)生的拋光點(diǎn)和劃痕［6］，拋光時(shí)拋光液中的水分與玻璃表面發(fā)生水解反應(yīng)，在玻璃表面形成硅酸凝膠薄膜，嵌入凝膠層中的拋光雜質(zhì)對(duì)激光損傷閾值的影響顯著［7－8］.雖然磁流變拋光、離子束加工能夠有效抑制傳統(tǒng)拋光產(chǎn)生的亞表面劃痕，但依然會(huì)引入新的拋光雜質(zhì)［9－11］.

光學(xué)元件的亞表面缺陷除了通過(guò)降低光學(xué)元件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和鍍膜質(zhì)量間接影響光學(xué)元件的面形精度外，還直接降低光學(xué)元件的使用壽命、成像質(zhì)量和激光損傷閾值等重要性能指標(biāo)［12］.另外，光學(xué)元件表面劃痕、裂紋對(duì)激光電磁場(chǎng)調(diào)制引發(fā)的熱效應(yīng)、自聚焦與再沉積層的雜質(zhì)對(duì)激光光子能量的吸收是造成光學(xué)元件激光損傷的主要原因［13－14］.為此，本文將深入了解光學(xué)元件拋光加工亞表面缺陷產(chǎn)生的原因及其變化規(guī)律，并通過(guò)優(yōu)化拋光工藝流程將拋光雜質(zhì)和亞表面缺陷有效去除，最終獲得滿足使用要求的超微損傷光學(xué)元件，以期進(jìn)一步提高光學(xué)元件抗激光損傷能力.

1 亞表面損傷深度的確定

熔石英玻璃主要成分是二氧化硅，在加工過(guò)程中二氧化硅與拋光液產(chǎn)生水解反應(yīng)生成硅酸凝膠，覆蓋在試件表面形成水解層.拋光水解層中將不可避免地產(chǎn)生拋光液的殘留以及拋光墊的污染，從而在表層引入新的雜質(zhì)粒子.這些吸收性的雜質(zhì)能夠強(qiáng)烈地吸收入射激光的輻射能量，造成吸收區(qū)溫度快速升高，導(dǎo)致熱應(yīng)力值增大，大大降低了光學(xué)元件的抗激光損傷能力［15］.

本文選取12塊熔石英試件，采用規(guī)格為W14的碳化硅磨粒研磨1 h，而后采用氧化鈰拋光液拋光6 h，保證研磨過(guò)程產(chǎn)生的大尺度脆性劃痕被完全去除或者被覆蓋在水解層以下.研磨與拋光過(guò)程的主軸轉(zhuǎn)速分別為50和40 r/min，研磨液和拋光液的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為10%和8%，采用的壓強(qiáng)均為22 kPa.配制HF酸蝕刻溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，采用石蠟將所有試件涂覆一半的面積以防止酸腐蝕，然后將試件放入盛有HF酸蝕刻液的塑料燒杯中，蝕刻溫度為11℃.將蝕刻后的熔石英試件烘干，利用觸針式輪廓儀測(cè)量得到不同時(shí)刻的蝕刻臺(tái)階高度，見(jiàn)圖1.

檢測(cè)結(jié)果如表1所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果可以繪出熔石英拋光件在一定時(shí)間內(nèi)的蝕刻速率曲線，進(jìn)而可確定出亞表面損傷層的深度，熔石英拋光試件蝕刻速率曲線如圖2所示.由圖2可見(jiàn)，熔石英試件的蝕刻速率隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，且在蝕刻的初始階段蝕刻速率下降尤為明顯.這是因?yàn)楣杷崮z層濃度隨著深度的增加呈現(xiàn)梯度遞減變化，在距離表面越深的地方浸入的水分子越少，越不利于水解反應(yīng)的進(jìn)行，因此，蝕刻速度呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì).另外，熔石英表面水解層的蝕刻速率明顯大于基體的蝕刻速率，這是由于拋光液與試件的水解反應(yīng)導(dǎo)致水解層的疏松度較高，蝕刻時(shí)HF蝕刻液進(jìn)入疏松層中增大了蝕刻液與試件的接觸面積，且水解反應(yīng)生成的硅酸凝膠更容易與蝕刻劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致在熔石英表面水解層的蝕刻速率明顯偏高.

圖1 熔石英試件的腐蝕臺(tái)階高度

表1 檢測(cè)結(jié)果

圖2 熔石英拋光試件蝕刻速率曲線

當(dāng)蝕刻深度為0～195.6 nm時(shí)，蝕刻速率隨蝕刻時(shí)間動(dòng)態(tài)變化;而當(dāng)蝕刻深度超過(guò)265.2 nm后，蝕刻速率基本保持不變，這說(shuō)明全部或部分覆蓋在水解層以下的缺陷層已經(jīng)被完全蝕刻去除，經(jīng)過(guò)檢測(cè)可以判定熔石英元件拋光加工亞表面損傷深度大約為265.2 nm.

2 拋光雜質(zhì)種類及分布

目前主要采用二次離子質(zhì)譜法檢測(cè)熔石英拋光表面雜質(zhì)元素種類及分布狀況，該方法利用高能量的離子束如 Ar+、Ga+等對(duì)拋光表面進(jìn)行沖擊，通過(guò)分析表層濺射元素的特征得出雜質(zhì)的種類以及嵌入深度等信息.這種方法檢測(cè)精度高，可以檢測(cè)到痕量雜質(zhì)元素，但檢測(cè)過(guò)程非常復(fù)雜，成本較高.本文采用XRF熒光光譜儀檢測(cè)拋光表層物質(zhì)成分，選擇4個(gè)熔石英試件進(jìn)行蝕刻實(shí)驗(yàn)，其蝕刻深度分別為0、120、195.6、341 nm，試件經(jīng)過(guò)超聲清洗以去除表面沉積物.XRF光譜儀電壓參數(shù)設(shè)為60 kV，電流參數(shù)設(shè)為60 mA，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果得到各元素含量隨深度變化曲線，如圖3所示.

圖3 熔石英表層元素含量隨深度變化曲線

由圖3可見(jiàn)，未經(jīng)過(guò)蝕刻的熔石英拋光試件表面存在Na、Al、Fe、Cu、Ni等雜質(zhì)元素，其中Al和Ni元素位于試件的表面，蝕刻6 min后消失.試件水解層中Fe和Cu元素的含量隨蝕刻深度的變化保持不變，當(dāng)蝕刻深度超過(guò)拋光表面水解層深度時(shí)，F(xiàn)e、Cu元素仍然存在，由此可知Fe、Cu元素是在研磨過(guò)程或者毛坯加工過(guò)程引入的.而Na元素的含量隨著深度增加呈現(xiàn)遞減的規(guī)律變化，當(dāng)蝕刻深度為351 nm時(shí)Na元素的含量為零.Na元素是由拋光過(guò)程中引入，該種元素鑲嵌在水解層中，當(dāng)水解層被完全去除后Na元素也隨之消失.

3 亞表面缺陷層的劃痕類型

亞表面缺陷層全部或部分覆蓋在水解層以下，其損傷形式包括亞表面裂紋、脆性劃痕、塑性劃痕和殘余應(yīng)力等.為了深入分析拋光加工亞表面產(chǎn)生的損傷形貌，對(duì)試件進(jìn)行以下處理:選用規(guī)格為W28的碳化硅磨料對(duì)熔石英試件進(jìn)行研磨，然后再經(jīng)過(guò)3 h的傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光處理(聚氨酯拋光墊、氧化鈰拋光液、拋光壓強(qiáng)18 kPa，主軸轉(zhuǎn)速30 r/min)，利用三維超景深光學(xué)顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)，可見(jiàn)拋光加工表面存在徑向劃痕、橫向劃痕、拖尾劃痕3種基本類型的劃痕，以及拖尾劃痕－徑向劃痕和拖尾劃痕－橫向劃痕兩種混合型的劃痕，各種類型的劃痕形貌見(jiàn)圖4.

圖4 各種類型的劃痕形貌

其中徑向劃痕是由尖銳壓頭在試件表面刻劃產(chǎn)生的，劃痕寬度小，垂直于試件表面向下擴(kuò)展，并在整個(gè)刻劃區(qū)域內(nèi)保持連續(xù).橫向劃痕為試件表面刻劃產(chǎn)生的一種最常見(jiàn)的劃痕，劃痕內(nèi)部呈鋸齒不連續(xù)狀，包含了大量的顆粒狀碎屑，劃痕寬度較大.鈍性壓頭在試件表面運(yùn)動(dòng)不連續(xù)，重復(fù)碾壓工件形成拖尾劃痕，拖尾劃痕與橫向劃痕都是由材料的脆性斷裂引起，具有相似的損傷形貌特征.

4 不同深度的亞表面損傷形貌

利用原子力顯微鏡檢測(cè)不同刻蝕深度下的熔石英試件亞表面損傷狀況，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5.由圖5可知，經(jīng)過(guò)拋光后的表面非常光滑，缺陷較少，而蝕刻到一定深度后出現(xiàn)深度較淺的凹點(diǎn)和塑性劃痕等亞表面缺陷，此時(shí)并沒(méi)有出現(xiàn)研磨過(guò)程殘留的脆性劃痕.當(dāng)蝕刻深度達(dá)到145.6 nm時(shí)，熔石英試件表面出現(xiàn)大量相互交錯(cuò)的塑性劃痕，且劃痕圖像較為模糊，這說(shuō)明拋光表面的水解層還沒(méi)有完全被去除;當(dāng)蝕刻深度達(dá)到265.2 nm時(shí)，劃痕、坑點(diǎn)清晰地顯露出來(lái)，此時(shí)蝕刻到達(dá)基體，覆蓋在表面水解層以下的缺陷層被完全去除.

圖5 不同深度的亞表面損傷形貌

分別對(duì)蝕刻深度為79 nm與蝕刻深度為265.2 nm表面上的劃痕進(jìn)行尺度分析，得到劃痕截面輪廓如圖6、7所示，可見(jiàn)蝕刻深度79 nm的表面劃痕深度和寬度都明顯小于蝕刻深度265.2 nm時(shí)的表面劃痕.這是因?yàn)槿凼⒉Ａг诩庸み^(guò)程中產(chǎn)生的淺表面流動(dòng)層覆蓋于試件表面，試件上的各點(diǎn)因拋光軌跡不同，摩擦熱分布也不均衡，導(dǎo)致水解層流動(dòng)過(guò)程中不同區(qū)域覆蓋的深度不一樣.在蝕刻深度較小時(shí)，淺表面流動(dòng)層分布不均勻?qū)е聞澓蹆H顯露出一部分，所以此時(shí)劃痕的尺度要比完全去除水解層時(shí)小.另外，同一個(gè)試件在不同點(diǎn)處的截面劃痕的寬度和深度也存在明顯差異，這是由于氧化鈰拋光粉的粒度分布不均衡以及磨粒在拋光液中產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象引起的.

圖6 蝕刻深度為79 nm時(shí)不同位置點(diǎn)處的截面輪廓

圖7 蝕刻深度為265.2 nm時(shí)不同位置點(diǎn)處的截面輪廓

5 結(jié)論

1)基于HF酸化學(xué)蝕刻法對(duì)熔石英元件拋光加工產(chǎn)生的亞表面缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，并利用X射線熒光光譜儀檢測(cè)熔石英拋光表面雜質(zhì)元素的種類及分布狀況.

2)根據(jù)輪廓儀測(cè)量得到不同時(shí)刻的蝕刻臺(tái)階高度，繪制出熔石英拋光試件蝕刻速率曲線，并系統(tǒng)分析了蝕刻速率隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)變化的原因.

3)提出了熔石英元件拋光加工亞表面損傷深度的判定方法，即蝕刻速率基本保持不變時(shí)，說(shuō)明全部或部分覆蓋在水解層以下的缺陷層已經(jīng)被完全蝕刻去除，由此可以確定熔石英元件拋光加工亞表面損傷深度.

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