[发明专利]熔石英元件表面化学结构缺陷的去除方法

说明书

技术领域

本发明属于光学元件加工技术领域，尤其涉及一种去除熔石英表面化学结构缺陷，从而提升熔石英元件激光损伤阈值的表面处理方法。

背景技术

作为一种宽禁带光学材料，熔石英在紫外波段的高功率激光器中作为聚焦透镜，分光镜和防护罩等得到了广泛的应用。在高功率紫外激光的辐照下，熔石英元件有可能出现损伤甚至灾难性破坏，使得整个光学系统无法正常运行。因此，开展熔石英元件激光诱导损伤研究，实现熔石英元件高阈值加工具有重要的工程需求和应用前景。在高功率激光系统中，熔石英元件的损伤实际上是由各种缺陷诱导产生的表面损伤。这些缺陷主要包括污染物、抛光引入的杂质元素、裂纹和划痕等亚表面缺陷以及断键、空位等材料化学结构缺陷。随着抛光工艺和后处理工艺的不断改进与完善，造成强光元件激光损伤的污染物、杂质元素以及裂纹和划痕等亚表面缺陷得到了严格的控制，因而损伤阈值得以大幅提升。目前，HF酸刻蚀作为主要的阈值提升后处理工艺，能够有效、快速的去除表面抛光水解层，钝化表面/亚表面划痕缺陷，再辅以超声振动、漂洗喷淋等手段可以有效去除元件表面附着嵌入的污染杂质，从而显著提升光学元件表面损伤阈值。

然而，熔石英表面和亚表面由于前级加工产生的化学结构缺陷，如氧空位(ODC)和非桥接氧(NBOHC)等，在强激光辐照条件下会成为损伤前驱体，制约着高通量条件下强光元件损伤阈值的进一步提升。研究表明，HF酸刻蚀并不能有效降低这些化学结构性缺陷的含量，面对更高通量的激光辐照，HF酸刻蚀在提升熔石英抗激光损伤性能方面很难再有所作为。并且，HF酸和SiO₂的反应产物SiF₆^2-离子在水中的溶解度有限，会生成沉淀物沉积于元件表面，形成次生污染物。同时HF酸刻蚀液体环境中的水分子容易与新获取熔石英表面分子发生水解反应，造成表面羟基化。羟基的存在削弱了Si-O-Si键结合强度，破坏玻璃结构网络完整性。在激光能量作用下，-OH会发生断键或者迁移，导致化学失稳，发生介质击穿，反而降低了熔石英表面损伤阈值。

因此，需要发展一种既能减少亚表面化学结构性缺陷，又不引入新的二次污染，不对表面造成新损伤，同时保证HF酸刻蚀后表面质量不会严重恶化，又能有效去除HF酸刻蚀过程中熔石英表面残留污染和表面羟基化层的的表面加工方法，从而有效提升高通量条件下熔石英元件的激光损伤阈值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种工艺流程简单、可操作性强的熔石英元件表面化学结构缺陷的去除方法，该方法在去除熔石英元件表面/亚表面化学结构缺陷的同时能改善表面质量，从而有效提升熔石英元件的抗激光损伤能力。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种熔石英元件表面化学结构缺陷的去除方法，包括以下步骤：

对熔石英元件表面进行Ar离子束溅射处理，Ar离子束能量为800～1000eV；Ar离子束流密度为10～20mA/cm²；Ar离子束入射角度为0°；抛光方式为大束径均匀去除；抛光去除深度为500～800nm，以去除熔石英元件表面的化学结构缺陷。

上述的熔石英元件表面化学结构缺陷的去除方法，优选的，还包括，Ar离子束溅射处理后，熔石英元件表面不与水接触。申请人发现，由于离子溅射增强了熔石英表层原子的化学活性，会加速水分子与新获取熔石英表面分子之间的水解反应，造成表面羟基化。羟基的存在削弱了Si-O-Si键结合强度，破坏玻璃结构网络完整性。在激光能量作用下，-OH会发生断键或者迁移，导致化学失稳，发生介质击穿，反而降低了熔石英表面损伤阈值。

上述的熔石英元件表面化学结构缺陷的去除方法，优选的，Ar离子束溅射处理前，所述熔石英元件表面的初始状态为：表面不存在抛光水解层，光学显微镜观察表面无明显划痕、裂纹等亚表面缺陷，表面粗糙度≤1nm RMS(10μm×10μm)。

上述的熔石英元件表面化学结构缺陷的去除方法，优选的，Ar离子束溅射处理前，所述熔石英元件表面依次经过精抛光、HF酸刻蚀、超声清洗和脱水处理，获得所述初始状态。

上述的熔石英元件表面化学结构缺陷的去除方法，优选的，所述精抛光中，磨料为粒径小于1μm的氧化铈，精抛光过程中加载载荷为0bar，抛光时间为90～120min。该工艺的目的是利用无负载作用下的平抛工艺快速去除传统研抛工艺在熔石英表面造成的划痕、裂纹等表面缺陷。