一种应用于光学元件薄膜原子级缺陷修复的CO2激光扫描方法与流程

本发明涉及光学玻璃沉积层缺陷修复技术领域，具体地说是一种应用于光学元件薄膜原子级缺陷修复的co2激光扫描方法。

背景技术：

光学元件在航空航天、医疗、国防、天文、激光器等面型精度要求达到λ/200、表面粗糙度达到0.1nm以下的超精密光学元件领域。以熔石英类光学元件基底和sio2、al2o3、hfo2等薄膜沉积层形成的光学元件具有良好的透光性，但薄膜中存在e’色心、悬挂键、过配位、氧空位、过氧连接等缺陷，传统的热处理虽然可以消除部分缺陷，但是由于只能对工件整体进行热处理，容易导致工件和薄膜表面的面形精度和表面粗糙度的变化，同时会在退火过程中引入杂质等缺陷。因此亟需开发新型的缺陷修复方式，在不改变表面精度及面形的基础上，改善薄膜内部及其与基体界面上的原子级缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种消除光学玻璃沉积层点缺陷的方法，并不会对现有表面形貌造成影响，也不会引入新的缺陷。本方法采用先清洁，干燥，然后co2激光扫描，最后低功率co2激光重复扫描修复的技术手段，实现光学玻璃沉积层点缺陷的无损修复。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种应用于光学元件薄膜原子级缺陷修复的co2激光扫描方法，该方法为利用临界能量密度的co2激光对洁净的光学元件薄膜表面进行扫描，在局部热作用下修复光学元件薄膜内部及其与基材界面处原子级缺陷，提高薄膜与基材界面结合力，临界能量密度为高于缺陷结构的电子跃迁且低于表面形貌变形的能量。

进一步的，co2激光修复的步骤具体为：

第一步，在万级洁净间里，采用无尘布蘸清洁液，单一方向擦拭光学玻璃，直到裸眼无法发现灰尘；

第二步，采用吹风机常温模式，吹拂已清洁表面，直至干燥；

第三步，采用真空吸附的方式，固定干燥过的光学玻璃在co2激光加工平台上，保证待修复表面正对激光方向；

第四步，打开激光光源，调节激光功率、激光光斑直径和重复频率，导入激光扫描的轨迹图形，定位扫描起始点，开始co2激光辐照修复；

第五步，降低激光功率，其余参数不变，激光扫描的轨迹图形不变，定位原始扫描起始点为新的扫描起始点，进行第二次辐照修复。

进一步的，光学玻璃包括融石英玻璃、k9或bk7。

进一步的，光学玻璃沉积层材料包括sio2、hfo2或al2o3，沉积层厚度为10～1000nm。

进一步的，光学玻璃沉积层的缺陷是指光学玻璃沉积层在沉积过程中产生的点缺陷，包括e’心、氧心、羟基或过氧基。

进一步的，第一步中，清洁液是指无水乙醇和丙酮。

进一步的，第三步中，真空吸附是指采用具有真空吸附功能的工作台吸附光学玻璃，真空度为20～60kpa。

进一步的，第四步中，co2激光相关参数为：波长10.6μm，功率4～20w，频率1～200khz，脉宽2～1000μs，光斑直径1～5mm。

进一步的，第四步中，扫描的轨迹图形为s形轨迹和平行轨迹，其相关的轨迹参数为：相邻轨迹间距为光斑直径的50％～80％，扫描轨迹所形成的面积为待修复表面的1.01～1.1倍，扫描所采用的速度为5-50mm/s，离焦量为0.1～2mm。

本发明相对于现有技术相比，具有以下特点：

1、采用乙醇或丙酮，使用无尘布进行清洁，采用吹风机对表面进行干燥，操作简单，方法可靠，常温操作不会对光学玻璃表面造成任何形式的损伤；

2、采用低于光学玻璃沉积层损伤阈值的co2激光辐照，不会引入新的残余应力，不会造成新的损伤，是一种有效修复方式；

3、采用真空吸附的方式固定光学玻璃，操作方便，不产生加持力，更适合精密光学玻璃的加工；

4、co2激光扫描运动轨迹采用s形和平行运动方式，扫描均匀，简单易行。扫描面积大于光学玻璃待修复表面，防止激光扫描初期和结束时质量不稳，降低参数调节难度，提高修复效果；

5、在第一次扫描中，缺陷处的热吸收引起的温升，有可能产生残余应力，通过第二次低功率扫描进行缓慢降温，可以方便的消除潜在的残余应力，操作工艺简单易行。

附图说明

图1是关于本发明的co2激光扫描修复示意图。

图2是关于本发明的co2激光辐照运动轨迹示意图。

图1中1为co2激光光源，2为激光光束，3为分光镜，4为反射镜，5透镜，6为光学玻璃沉积层，7为光学玻璃，8为可移动真空吸附平台，9为真空泵，10为功率计，11为控制系统。

图2中12为s形轨迹，13为平行轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明

本发明的光学玻璃沉积层缺陷的co2激光修复方法，可适用于基体为融石英玻璃、k9和bk7，沉积层材料为sio2、hfo2和al2o3，沉积层厚度为10～1000nm的光学玻璃的点缺陷无损修复。

本发明的原理及依据是：方向性好，单色光好，相干性好的co2激光通过透镜聚焦在被加工工件表面，具有很高的能量，这些能量通过光子传递给被加工材料的表面，使工件表面温度升高。同时由于缺陷的光吸收作用，获得的能量最多，导致缺陷处原子活性最高，进而原子位置发生变化回复到正常状态，断裂的化学键重新连接，也就实现了点缺陷的修复。co2激光可以实现时间和空间的准确控制，控制热量在工件的表面，控制能量密度在薄膜损伤以下，对光学玻璃沉积进行扫描处理，进而消除沉积层中的点缺陷，提高光学玻璃沉积层的透光率。

本发明所用装置如下工作过程为：真空泵9控制可移动真空吸附平台8的真空度，功率计10检测激光功率，判断激光光源1是否正常工作，控制系统11控制激光光源1和可移动真空吸附平台8的相关参数。首先激光器1发出激光光束2，经过分光镜3的作用部分激光光束进入功率计10，大部分激光光束射向反射镜4，然后被反射向透镜5，激光光束1在透镜5的聚焦作用下，辐照光学玻璃沉积层6进行激光修复。

实施例1

对光学玻璃沉积层点缺陷进行co2激光修复，基体材料是融石英，沉积层材料为sio2，沉积层厚度为1000nm。实验是在万级洁净间中进行。首先把无水乙醇均匀滴在无尘布上，然后采用无尘布对沉积层进行单方向擦拭，擦过的无尘布不再使用，直到沉积层表面在光的反射下表面没有灰尘。然后用吹风机吹干。最后把光学玻璃放置在可移动真空吸附平台上8，保证光学玻璃7贴近可移动真空吸附平台8，光学玻璃沉积层6正对激光光束，打开真空泵9，保证真空吸附平台8的真空度为30kpa。通过控制系统11调节激光参数：激光功率12w，重复频率10khz，脉宽300μs，调节透镜5，使得光斑直径为1mm，扫描速度1000mm/s，轨迹间隔2mm，轨迹超出融石英尺寸1％，采用图2中s形轨迹1辐照方式进行扫描。扫描结束后，调节激光功率为6w，其余参数不变，采用相同方法重新进行辐照。实验结果表明，辐照后，融石英沉积层透光率在可见光波段提高约5％。

实施例2，对光学玻璃沉积层进行缺陷co2激光修复，基体材料是k9，沉积层材料为al2o3，沉积层厚度为300nm。实验是在万级洁净间中进行。首先把无水乙醇均匀滴在无尘布上，然后采用无尘布对沉积层进行单方向擦拭，擦过的无尘布不再使用，直到沉积层表面在光的反射下表面没有灰尘。然后用吹风机吹干。最后把光学玻璃放置在可移动真空吸附平台上8，保证光学玻璃7贴近可移动真空吸附平台8，光学玻璃沉积层6正对激光光束，打开真空泵9，保证真空吸附平台8的真空度为40kpa。通过控制系统11调节激光参数：激光功率16w，重复频率3khz，脉宽300μs，调节透镜5，使得光斑直径为2mm，扫描速度300mm/s，轨迹间隔1.5mm，轨迹超出融石英尺寸1％，采用图2中平行轨迹2辐照方式进行扫描。扫描结束后，调节激光功率为8w，其余参数不变，采用相同方法重新进行辐照。实验结果表明，辐照后，融石英沉积层透光率在可见光波段提高约8％。

本发明的修复方法，对表面面形不产生影响。缺陷修复工艺步骤中所采用的清洁与干燥方法，并不会引入新的缺陷，也不会对光学玻璃形成腐蚀，对环境友好、无污染；通过低能量的热传导，可以调节原子的相对移动位置，进而修复缺陷，能有效提高透光率，降低吸收率，进而提高相应的光学元件的寿命。沉积层中的缺陷在第一次激光辐照中，由于热吸收现象可能存在残余应力等现象，通过第二次低功率辐照可以予以消除，此方法操作简单，安全可靠；且对光学玻璃的尺寸没有限制，可以进行局部修复，大大提高修复的范围。该方法，可以弥补沉积工艺中的缺陷，扩展这一技术的使用范围，具有很好的社会实际价值。