高功率激光镜片的损伤阈值，LIDT的影响因素及产生原理

各种高科技应用中常见的光学元件，其制造流程通常包括多个研磨阶段，在一系列机械加工过程中，所采用材料的结构或成分会被研磨以制备出表面质量高、特性优良的光学基片。然而，这些制造工艺也可能导致微观缺陷和局部不均匀性，进而可能会导致激光诱导损伤LID，严重损害光学基片在高应力条件下的性能。对于例如在高强度照射下的镀膜高功率激光光学元件来说，这一点尤为明显。它们所暴露的峰值脉冲功率越高，为了在高激光强度下承受而不受任何损害，就越需要对其进行优化。最近，研究人员一直在探索LID的原因，以及如何减少甚至完全预防激光诱导损伤LID，从而生产出高损伤阈值镜片。

本文分为三部分，激光诱导损伤LID的原因、亚表面损伤的特征以及减少和避免亚表面损伤的过程。

亚表面损伤会导致激光诱导损伤LID吗？

硬而脆的材料，如陶瓷、玻璃和碳化物，由于其卓越的物理和力学性能，在高性能应用中得到广泛应用。然而，正是由于它们的硬度和强度特性，使得加工处理变得困难。此外，对于高功率激光系统和光刻系统来说，保持高度的整体结构完整性至关重要。同时，还需要极高的尺寸精度以及低埃范围内的超光滑表面。

这些高性能组件采用精密、确定性的机械加工工艺制造，如研磨、抛光和打磨。问题是每一个新的阶段都可能在材料中产生微缺陷和裂纹。图1展示了光学元件的制造流程和每道工序后观察到的裂纹损伤情况。由于非晶材料本身具有脆性特点，其表面可能出现微缺陷，并且这些缺陷会深入材料内部数百微米。这些内部存在的缺陷被称作亚表面损伤（SSD）。此类裂纹结构对光学元件的性能和使用寿命影响尤为严重，可导致激光诱导损伤阈值（LIDT）大幅度降低。

图1：制造光学元件的传统工艺流程，包括裂纹损伤的局部放大图。Pre-grinding-预先研磨，Fine grinding-精磨，SSD-亚表面损伤，Lapping-研磨，Polishing-抛光，Subsurfoce damage beneath the Beilby layer-贝尔比层的地下的损伤,Processing time-过程时间，Ablation/ Ablation rate-烧蚀/烧蚀率。

图2中的示意图展示了经退火处理玻璃表面的逐层结构的放大视图。在抛光过程中，会形成封闭层，该封闭层作为部分部分熔融材料流入粗糙度轮廓的谷底，从而“掩盖”了SSD，这一层被称为贝尔比层。它可能具有非晶态或微晶结构，由高度水合且经过加工硬化处理的材料组成。此外，其中可能包含能引起高吸收性和光活性效应的外来物质或杂质。在其下方是含有深度可达100微米裂纹的SSD层（即缺陷层）。这一层会削弱材料强度，并且可以作为杂质的储存库。

图2:退火玻璃表面的结构。Beilby layer-贝尔比层，SSD layer-缺陷层，Deformed layer-变形层，Defect-free layer-无缺陷层。

裂纹路径的类型、深度以及由此产生的表面粗糙度在很大程度上取决于工艺参数（切削速度、磨削压力、磨粒尺寸和形状、研磨和抛光时间），同时也取决于材料的力学性能。特别是在高精度应用中，从Beilby层快速到达无缺陷材料区域至关重要。因此，如图1所示，在制造过程中通常采用预磨、细磨、研磨和抛光等组成的多阶段工艺。这样做的核心目标是在每个阶段尽可能消除或至少减少裂纹损伤。因为SSD越低，在后续有时更耗时的步骤（例如抛光）中所需的努力就越少。

缺陷和SSD也会影响光学镀膜的使用寿命。光学镀膜是在光学元件制造完成后涂敷在元件表面的，可使反射和透射特性适应特定应用。然而，在高强度激光照射下，它们经常由于表面吸收增强而产生严重的结构缺陷，这常常会损害光学表面。除了激光损伤阈值（Laser Induced Damage Threshold, LIDT）和镀膜质量，SSD还会损害光学元件所能达到的成像质量和机械性能。

 

亚表面损伤特征

随着光学元件表面完整性的要求越来越严格，需要尽可能精确地表征表面及亚表面的损伤。如今，人们使用了各种损伤检测技术。这些技术不仅能揭示SSD的程度、类型和位置，还为后续加工阶段提供了指导。这些方法可以分为非破坏性和破坏性技术。非破坏性方法主要包括光学技术，如显微镜、散射光和荧光测量以及白光干涉测量法。预测模型和声学显微镜是衡量SSD非破坏性的其他方法。另一种颇具前景的非破坏性检测方法是OCT（光学相干断层成像），这是一项三维技术，可以提供裂纹深度的定量信息以及裂纹形态的定性信息。图3举例说明其中三种方法的工作原理。

图3:显示用于检测SSD的三种不同的非破坏性测量方法图

除了上述技术之外，破坏性测量方法主要在工业和研究中使用。它们主要包括化学或机械过程，如离子束刻蚀和各种抛光工艺。他们的优势在于，通过刻蚀和局部抛光的方式，可以消除材料中的严重缺陷和残余应力。当前用于检测SSD的首选方法是一种名为磁流变抛光的抛光技术，有时会与原子力显微镜联合使用（MRF技术）。除了去除残留缺陷外，这种方法还能提供有关裂纹轮廓和路径的信息。

减少和避免亚表面损伤的过程

在制造现代光学元件时，首要目标是避免和减少裂纹结构与缺陷。因此，已经研发了多种减小表面缺陷（SSD）的方法。特别是，在化学腐蚀之后，可以采用诸如MRF抛光（磁流变抛光）或IBF（离子束修整）等点抛光工艺来提高表面平滑度和抗LID性能。此外，还开发了一种称为先进缓解工艺的特殊化学工艺链。通过去除杂质和微裂纹的特殊化学工艺，可以显著提高光学表面对于激光损伤的耐受性。

此外，Asphericon磨削过程中也开发了参数调整和新工艺。减小的磨粒尺寸和超声辅助磨削（UAG）显著减少了SSD的深度。而且，在微观层面（小于1微米），硬而脆的材料会表现出一定的弹性（延展性）行为。如果将磨粒的接触保持在这个范围内，类似于金属材料所使用的延展性磨削方式，也可以应用于硬而脆的玻璃类型。这将大大减少微裂纹的形成。