[发明专利]大口径抛光工件激光损伤阈值的非破坏性评价方法

说明书

本发明涉及一种大口径抛光工件激光损伤阈值的非破坏性评价方法，通过表面疵病检测装置对工件表面划痕及微裂纹等机械缺陷进行采样，利用计算机对采样图片进行图像预处理、缺陷识别与位置标记，依托超景深显微镜完成对机械缺陷的准确识别与提取，实现大口径工件的全局性评价，结合有限时域差分方法及激光损伤阈值评价公式，获得大口径抛光工件表面的激光损伤阈值，原理可靠、实现过程简单，并有效减少传统激光损伤测试过程中对工件的消耗。本发明方法适用于高能量/高功率激光聚变装置中使用的各类大口径抛光工件。

技术领域

本发明涉及一种加工检验技术，特别涉及一种大口径抛光工件激光损伤阈值的非破坏性评价方法。

背景技术

大口径光学材料的超精密制造过程包括磨削、研磨及抛光等过程，抛光作为工件加工的最后一道工序，目的在于去除前序加工残留于工件表面的划痕、裂纹等缺陷并获得光洁、平整的表面(许乔,王健,马平,陈贤华,雷向阳.先进光学制造技术进展[J].强激光与粒子束,2013,25(12):3098-3105)。高功率/高能量激光聚变系统对高精度抛光工件数量需求极大，如我国自主研发的神光II、神光III激光聚变装置中，需要使用大量由抛光工件制造而成的窗口、屏蔽片、透镜等光学元件，光学元件的表面积总和高达数千平方米，其中，尺寸在40cm×40cm以上的大口径光学元件数量超过数千件甚至近万件(盛利.地球上“造太阳”的追梦之旅[N].科技日报,2015.7.26)。光学元件在强激光的辐照下很容易发生激光诱导损伤，从而损坏元件的力学、光学及热学性能，激光诱导损伤已成为限制高能激光系统输出功率和使用寿命的主要因素，因此，激光聚变装置不仅对光学元件数量需求极大，对元件抗激光损伤性能的要求也很高。激光损伤阈值(Laser-induced damage threshold,LIDT)是评价光学元件抗激光损伤能力的重要指标。在现有的光学元件制造工序中，抛光工件通常要经过氢氟酸刻蚀或硝酸清洗以去除抛光近表面水解层(＜1μm)内残留的各类金属杂质从而提升材料的激光损伤阈值(叶鑫，黄进，王凤蕊，程强，刘红婕，周信达，孙来喜，张振，蒋晓东，郑万国.熔石英光学元件的损伤前驱及其抑制技术[J].强激光与粒子束,2013,25(12):3220-3224)。现在对光学元件激光损伤阈值的评价应用最广泛的是破坏式激光损伤性能测试方法，即使用一定能量的紫外激光辐照于待测元件表面，将诱发元件出现熔融损伤坑等损伤形式时的能量密度定义为元件的激光损伤阈值。若发现元件损伤阈值不达标，则需要优化元件的加工及后处理工艺并再次加工新的元件，再对新加工元件进行损伤性能评价，直至损伤阈值达到理想值，通过此方式确定合适的元件加工及后处理工艺条件并最终获得理想的元件激光损伤阈值。破坏式激光损伤测试方法将对元件造成不可逆转的损伤和破坏，因此，经过激光损伤测试后的元件即为不可使用的废件，这将会造成大口径工件极大的浪费。由于小口径工件(φ50mm)相对大口径工件(≥400mm×400mm)而言其加工及后处理成本较低，且激光损伤测试过程中元件定位相对容易，测试效率也相对较高，因此，现在往往采用对小口径工件进行激光损伤性能测试结合反复优化加工及后处理工艺的手段，最终确定满足工件激光损伤阈值要求的加工及后处理工艺参数，并将该参数应用到大口径工件的制造过程中，从而大大减少对大口径抛光工件的消耗。这一方法应用的前提是相似的工艺条件下，不同尺度加工工件具有相似的加工质量。但在实际加工过程中，即使采用完全相同的磨削及抛光加工参数、后处理工艺条件，由于边缘效应等因素的影响，小口径和大口径工件之间也会存在加工质量的明显差异，包括表面/亚表面划痕、裂纹、凹坑等缺陷的尺度和密度都可能有所不同，这些差异将会引起大口径工件实际激光损伤阈值与小口径工件激光损伤阈值之间的偏差。因此，提出一种既能对大口径工件进行直接评价又不损伤、耗费大口径工件的损伤阈值评价方法显得十分必要。

发明内容

本发明是针对现在大口径抛光工件激光损伤阈值评价不直观及工件耗费大的问题，提出了一种大口径抛光工件激光损伤阈值的非破坏性评价方法，通过对工件表面划痕及微裂纹等机械缺陷的准确识别、提取，对大口径工件进行全局性评价，结合有限时域差分方法及激光损伤阈值评价公式，获得大口径抛光工件表面的激光损伤阈值并有效减少传统激光损伤测试过程中对工件的消耗。