光学元件表面损伤

2022-10-25 15:00:05 浏览:215

概述

在制造的过程中,每种光学元件都会在表面下方产生一定程度的表面下损伤,比如裂纹、残余应力、污染物和空洞。这些缺陷可能是在制造过程中造成的,也可能是所使用材料的类型或质量固有的缺陷。用激光照射时,表面下损伤会提高吸收和散射,产生热量并导致光通量降低。在使用大功率激光器或系统处于明显的机械应力状态时,这些性能异常可能导致系统故障。

研磨和抛光过程会留下在抛光再沉积或拜尔培层下方约 0.1μm 到数十微米的表面下损伤。再沉积是光学元件的顶层,由于抛光过程中的化学反应回流到细小的表面划痕上。再沉淀层下方的缺陷层包含大多数基片裂缝和其他缺陷,通常会向下延伸到光学元件表面下方1-100μm 处。然后,一个变形层会将这个缺陷层与无缺陷的大块材料分离开来(图 1)。

图 1: 制造过程中遗留的表面下损伤

除非使用特殊的激光级抛光和清洁工艺,否则杂质可能会在抛光过程中被困在再沉积层中。用越来越细的砂砾进行抛光可以进一步减少表面下损伤的数量,但这种损伤无法完全消除。用更细的砂砾进行抛光可以提高光学元件的质量,但会增加抛光所需的时间,从而增加成本。有效的激光光学抛光工艺可以消除深层的表面下损伤,无效的抛光工艺只能将损伤隐藏在拜尔培层之下。

光学元件表面缺陷的危害表现

(1) 光束的质量下降。元件表面缺陷处会产生光的散射效应, 使得光束在通过缺陷后能量被大量消耗, 从而降低了光束的质量。

(2) 缺陷的热效应现象。由于表面缺陷所处区域比其他区域容易吸收更多的能量,产生的热效应现象可能会使元件疵病发生局部变形、破坏膜层等, 进而危害整个光学系统。

(3) 损坏所处系统中其他光学元件。激光系统中,在高能激光束的照射下,元件表面疵病产生的散射光会被系统内的其他光学元件吸收,从而造成元件的受光不均匀,当达到光学元件材料的损伤阀值时, 会使传播光线的质量受到影响,光学元件损坏,更有可能造成光学系统被严重的破坏。

(4) 疵病会影响视场清洁。当光学元件上有过多的疵病时, 会影响微观的美观度, 另外, 疵病还会残留微小的灰尘、微生物、抛光粉等杂质, 这将造成元件被腐蚀、生霉、生雾, 会明显影响元件的基本性能。

光学元件表面面形误差和表面粗糙度的检测是光学检测技术研究领域的重点,由于光学元件表面质量的好坏直接影响整个光学系统的性能,所以想要使光学仪器设备能更高效地工作,不仅在加工时需要注意光学元件的表面质量, 而且对成品元件的检测工作也不能忽视。

参考文献

[1] Fine, Kevin R, et al. “OPTICS FABRICATION: Subsurface Damage Is Measured Nondestructively.” Laser Focus World, June 2006.
[2] Finch, G. Ingle. “The Beilby Layer on Non-Metals.” Nature, vol. 138, no. 3502, 1936, pp. 1010–1010., doi:10.1038/1381010a0.
[3] Collier, David, and Rod Schuster. “Superpolishing Deep-UV Optics.” Photonics Spectra, February 2005.

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