熔石英玻璃激光无损伤超光滑表面抛光机理及关键技术研究.doc

熔石英玻璃激光无损超光滑表面抛光机理及关键技术研究（一）立项依据与研究内容1、项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）；1) 研究意义强光光学元件制造是现代光学制造的重要的分支，主要用于高能或高功率激光系统中的光学元件，不仅要求高的轮廓精度，同时还要经受高能或高功率激光辐照，抗激光损伤(Laser Damage)阈值成为重要指标。惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion，ICF)系统是典型的高功率激光系统，美国国家点火装置 (National Ignition Facility, NIF) 和我国系列“神光”激光装置就是其中代表。位于终端系统的熔石英元件（包含色分离聚焦透镜、CPP、BSG、防溅射板等）的紫外激光损伤是当前高功率激光驱动器装置中激光损伤问题中最为严重的部分。国内外大量的研究表明熔石英元件的紫外激光损伤主要是由于目前的加工工艺在光学元件表面材料去除过程带来的划伤和表面/亚表面产生的缺陷所致。熔石英光学元件的激光损伤问题是NIF装置实施和当前运行的最大障碍。我国高功率激光系统也遇到类似激光损伤瓶颈问题，在高功率激光辐照下，光学元件表面产生大量激光诱导损伤，无法满足需求。ICF激光驱动器运行通量的进一步提升，必须首先解决紫外光学元件的激光损伤问题，如何在实现紫外光学元件高的面形精度前提下，进行加工缺陷的有效的控制，实现无损超光滑表面抛光，提升损伤阈值，已成为迫切需要解决的关键技术。在高功率激光系统中，为保证激光系统稳定运行在高通量条件下，并获得理想的光束聚焦质量，必需达到良好的面形精度、表面质量及超光滑的表面粗糙度指标，同时还需严格控制中频波前误差及与低缺陷。研究表面(表明)，加工缺陷引起光学表面本征特性改变是导致强光元件诱导激光损伤的主要因素。目前已有的超光滑光学表面加工技术包括化学抛光、化学机械复合抛光、激光抛光、离子束加工、ELID磨削技术、磁流变抛光技术等，这些加工方法会在被加工表面产生裂纹、划痕、残余应力和污染杂质等缺陷，改变光学元件表面本征特性，使光学元件在受到高功率激光辐照时候，由于激光作用使元件局部或整体的几何结构、元件材料的物理化学性质发生了根本性、不可恢复的变化。如图1所示，从而降低元件透过率和光束质量，产生波前畸变，影响焦斑质量，调制光强分布而产生光场强区，并使得下游元件产生新的损伤。更为严重的是，该激光损伤是一个“自加速”的过程，初始损伤一旦产生，损伤尺寸会随着后续激光发次呈指数增长，如图2所示，从而将大大降低光学元件的激光能量负载能力，成为限制系统激光能量输出能力的主要因素4。 图1 加工缺陷诱导的激光损伤 图2 激光诱导损伤自加速过程目前，还没有一种理想的技术或收到满足无表面瑕疵及亚表面损伤的要求。如此一来，研究一种新的光学材料抛光方法和工艺，获得亚纳米轮廓精度和超光滑无损伤的光学表面，是可能突破激光损伤瓶颈问题的新途径。中科院上海光机所结合该所超精密光学元件加工与检测、强激光与光学材料相互作用及损伤等领域的技术积累和优势，利用CO2激光和飞秒超强激光抛光熔石英元件缺陷研究，初步的研究结果表明利用激光抛光可以有效去除微缺陷并提升缺陷处的损伤阈值。基于激光与物质相互作用机理，激光抛光具有以下鲜明的优点：非接触式抛光，正压力小，可实现无亚表面缺陷加工； 抛光样品时，不需要抛光辅料，元件表面没有抛光粉嵌入的问题，耐激光损伤，无环境污染； 采用合适的激光光源，可普适性应用于玻璃、晶体、金属、陶瓷等；可灵活适合平面，球面，自由曲面元件的抛光。激光抛光技术具有上述特点，理所当然的成为了一种很有发展前途的抛光方法，有望解决传统抛光工艺中无法解决的光学元件的损伤阈值问题。本项目主要开展利用CO2激光束联合飞秒激光束对熔石英玻璃，实现无损超光滑表面抛光的研究。即利用CO2激光束联合飞秒激光束抛光熔石英玻璃，通过研究CO2激光束与熔石英玻璃相互作用机理，飞秒激光与熔石英相互作用机理，激光光束整形，激光自动聚焦，基于面形检测反馈的光束扫描路径的规划与自动化控制等激光束抛光的关键技术问题，实现熔石英玻璃激光无损超光滑表面抛光，突破强光光学元件高抗激光损伤瓶颈，为我国绿色低碳环保加工技术，我国重大强激光工程的实施提供工艺理论和制造技术支持。2) 国内外研究现状激光束抛光技术在加工中的应用已展现出强大优势，美国威斯康辛大学的研究人员，研究了利用波长1064nm的Nd:YAG连续激光器和脉冲光纤激光机抛光金属镍（Nickel）、钛合金（Ti6Al4V）和铝合金（Al-6061-T6），在毛细流和热毛细流两种机制下提出理论预测模型，准确的预测抛光后金属表面的粗糙度情况。实验上实现表面切削残留波纹度的有效去除，如图3所示。金属器件对抛光后表面粗糙度和面型误差要求苛刻程度比光学元件低，德国夫琅禾费激光技术研究中心已研制出针对不同规格及复杂面形金属器件的商用激光抛光机械设备，如图4所示，研究表明激光抛光不同材质金属粗糙度去除率达48%-98%，去除速度小于1min/cm2。 图3 抛光前金属表面（左图）； 抛光后金属表面（右图） (a) (b) (c)图4 (a)小型器件加工机床； (b)复杂小型器件加工机床； (c)大中型器件加工机床目前，针对熔石英玻璃光学元件的加工，主要是基于精密磨削和数控小工具研抛的方式。这种加工方式，由于磨抛过程中的压力，元件不可避免的会产生表面和亚表面缺陷，这些都是激光破坏的源头，实践也证明这种加工方式制造的熔石英元件难以满足高功率激光驱动器迫切需要提升运行通量的要求。鉴于此，美国劳伦斯利佛摩尔实验室提出了多种方法用来改善光学元件的损伤阈值，如图5所示，利用聚焦后光斑直径为100m脉冲CO2激光快速烧蚀抛光熔石英玻璃激光损伤点，形成一个光滑的锥形坑，其损伤阈值相比抛光前有显著提高，可重新回收用于NIF装置中，该研究对于需要用上千件光学元件的NIF装置，光学元件回收使用具有非常重要意义。同时他们也研究了超短脉冲激光抛光方法去除微缺陷的技术方案，取得了较好进展。该技术方案是通过激光束去除吸收性缺陷降低对激光能量的吸收，同时去除破裂类缺陷提高缺陷结构的力学稳定性能来实现损伤阈值的提升。德国夫琅禾费激光技术研究所的研究人员利用波长为1064nm连续CO2激光束抛光熔石英玻璃，研究表明激光束抛光空间波长0.8-100m范围，与传统抛图5 CO2激光快速抛光损伤和亚表面缺陷光相比，激光抛光结果更有优势，如图6所示，且相比传统抛光后，元件表明有微损伤，激光束抛光后的光学元件表面几乎无微缺陷，如图7所示；将激光束抛光应用于球面表面微缺陷和粗糙度也有与平面类似的结果，但与传统抛光相比极大的减小了抛光的时间；将激光束应用于硼硅酸盐玻璃（BK7）和火石玻璃（S-TIH6）粗糙度也都得到了很好的改善，但由于在该波长激光作用的机制不同效果并没有熔石英玻璃好。采用CO2激光抛光的光学元件已经达到照明的需求，但对于用于光学成像系统及高功率激光器中还需进一步的研究。为了改善空间波长100m的粗糙度和控制光学元件面型，夫琅禾费激光技术研究所的研究人员先后提出通过控制扫描速度和采用脉冲激光对激光抛光后的元件进行高精度快速烧蚀加工。从目前的研究来看，极大的展示了方案的可行性和前景，但要实现光学元件的激光抛光和高精度烧蚀抛光结合还需要进一步的研究。图6 CO2激光与传统抛光空间波长粗糙度 图7 CO2激光与传统抛光元件表明AFM图随着激光技术的进步和对高精度光学元件加工需求的牵引，激光束抛光光学元件的优势已初现端倪。但目前主要的研究是在利用连续CO2激光束抛光或者长脉冲激光抛光，而采用飞秒激光抛光的研究微乎其微。基于激光高精度烧蚀抛光的研究来看，采用飞秒激光相比常规激光具有更好的优势。飞秒激光加工是一种光学冷加工，抛光后基本上不会有损伤等问题出现，飞秒激光脉冲与材料作用时间非常短，这个时间是要远远小于材料晶格的热传导时间的，所以对材料的其他任何区域的热影响基本上不存在对于抛光的材料；飞秒激光以其出色的空间分辨率可以实现纳米级的精度控制，这对于需要加工精度纵向分辨率达到几纳米的高精度烧蚀抛光是非常有利的；飞秒激光加工没有特定的限制，研究材料不仅限定于熔石英，也可以应用于金属或其他非金属，特别是对于传统加工较困难的脆性的材料。我国一些科技人员在激光抛光技术上也开展了科研工作，如科院上海光机所率先利用CO2激光和飞秒激光局部抛光修复光学元件缺陷点的研究，并取得了一定的进展。但我国对激光抛光技术的重点还是放在了对抛光机理的研究上。目前，无论是国内还是国外都尚未存在将CO2激光抛光与飞秒激光相结合对熔石英玻璃进行无损超光滑表面抛光的研究，因此本项目研究对我国强激光工程和光学精密元件加工都具有重大意义。2、项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键科学问题（此部分为重点阐述内容）； 1) 研究目标本项目针对熔石英元件激光高损伤阈值加工的技术瓶颈，基于CO2激光抛光修复光学元件缺陷技术，超短激光透明介质精密微加工和光学元件超精密加工和检测技术等研究基础，通过研究CO2激光抛光熔石英元件机理，飞秒激光与熔石英元件相互作用动力学模型，熔石英元件激光束抛光工艺方法，激光束抛光熔石英元件路径规划、面形检测及自动化控制等科学问题，将光学元件激光烧蚀成型、CO2激光熔融抛光和飞秒激光高精度修形联用，并利用干涉测量技术对光学元件的面型进行检测，从而实现对各种形状表面（平面、球面、非球面等）的熔石英玻璃材料进行低缺陷、高精度表面激光无损超光学抛光加工。提升熔石英光学元件的抗损伤阈值水平，解决当前熔石英元件加工所面临的中高频误差和缺陷控制等关键技术问题，而解决高功率激光所面临的技术难题。2) 研究内容本项目针对激光束抛光的关键科学问题和工艺技术主要包括以下内容：（1） 研究CO2激光激光束与熔石英玻璃相互作用的机理 CO2激光束抛光是利用抛光过程中元件表面处于熔融状态，液体材料在表面张力作用下流动而平滑粗糙度。因此对熔石英表面温度的控制非常严格，过高或过低都会带来加工缺陷；同时由于加工面温度非常高，与熔石英下表面因温度梯度形成的应力也会严重影响抛光的结果。研究熔融抛光表面应力和场温度分布，建立作用模型，为抛光过程温度控制和作用时间做指导。（2） 研究飞秒激光激光束与熔石英相互作用动力学模型飞秒激光与熔石英作用是一个复杂的过程，包括电子的电离，导带电子的演化材料能量的沉淀与烧蚀等过程。研究熔石英材料表面对激光的吸收情况，分析抛光时工件表面产生的光致等离子体对飞秒激光抛光效果的影响。在此基础上推导出了飞秒激光抛光熔石英玻璃的动力学模型，建立激光作用材料深度、去除量与能量密度之间的关系，为飞秒激光高精度烧蚀抛光实验提供理论依据。（3） 研究影响激光束抛光熔石英玻璃抛光工艺的关键因素基于CO2激光、飞秒激光与熔石英玻璃材料相互作用机理，提炼激光抛光过程中的关键科学问题，为加工工艺方法和实际修形应用提供理论基础；研究激光光束能量分布对抛光的影响；针对CO2激光抛光，研究激光功率、激光与熔石英玻璃相互作用时间等因素对抛光的影响；针对飞秒激光高精度烧蚀抛光，研究激光功率、脉宽、光斑直径、光斑重复率等关键因素进行研究。探讨相关的可实现的工艺方法，建立激光抛光模拟仿真软件，为激光抛光修形的实现提供技术途径。（4） 研究激光束抛光熔石英路径规划、表面检测及实现自动化控制 基于数控抛光加工路径生成的机理，研究激光抛光去除函数的提取、驻留时间的计算、扫描路径的生成，研究不同扫描路径对抛光结果的影响。实现激光抛光熔石英表面精度达到纳米级，需要高要求的表面检测方法，研究白光干涉仪、扫描电镜、原子力显微镜、轮廓仪等测量手段进行表面粗糙度、微纳结构的检测。3) 拟解决的关键科学问题（1）激光束与熔石英元件相互作用的机理。（和上面内容有重复 改为CO2与飞秒激光的缺陷 联合使用的好处以及需要解决的技术问题）本项目采用两种激光光源对熔石英表面进行激光束抛光，而两种激光束的抛光机理是不同的。CO2激光束是熔融抛光，一种热抛光的方式；而飞秒激光是烧蚀抛光，一种冷抛光的方式。因此本项目针对两种激光作用机理建立不同的理论模型， CO2激光抛光基于毛细流机制、热传递模型理论，通过有限元法建立抛光预测模型，研究熔融层温度及应力分布与粗糙度的关系；飞秒激光烧蚀基于透明电介质材料电子密度随时间的变化关系方程和雪崩电离、多光子电离理论，建立动力学模型，为激光抛光的实现提供理论指导。（2）激光抛光工艺及关键技术的实现（ 抛光 检测 自动化需要解决的关键技术） 3、拟采取的研究方案及可行性分析（包括研究方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）；1) 拟采取的研究方案（方案可以再具体些 把细节技术补充下）项目光学元件激光烧蚀成型、CO2激光熔融抛光和飞秒激光高精度修形联用，并利用干涉测量技术对光学元件的面型进行检测，从而对光学元器件实现超光滑、高精度的抛光。技术路线如下图： 图8激光抛光平台的技术路线示意图下面这些应该与2) 研究内容那部分结合下 写在那里 这里主要写实验方法和实验手段 (1) CO