[发明专利]平面光学元件亚表面损伤检测方法

说明书

平面光学元件亚表面损伤检测方法，包括：步骤一、采用定向磨料液体射流在平面光学元件表面制作观测斜面，观测斜面贯入平面光学元件的深度应当足以暴露亚表面裂纹；步骤二、用氢氟酸溶液蚀刻观测斜面，使得平面光学元件沿观测斜面方向的亚表面裂纹层充分暴露以便观测；步骤三、借助轮廓仪的扫描功能测量观测斜面的轮廓曲线，得出水平面与该观测斜面之间的夹角值；步骤四、借助超景深光学显微镜的微动平台和清晰成像功能获取沿观测斜面方向的亚表面裂纹分布情况，确定最终裂纹消失时微动平台移动的总距离；步骤五、结合步骤四中得到的最终裂纹消失时微动平台移动的总距离和步骤三中得出的水平面与该观测斜面之间的夹角值计算亚表面裂纹深度值。

技术领域

本发明涉及超精密加工与检测技术领域，特别涉及一种平面光学元件亚表面损伤检测方法。

背景技术

平面光学元件（如平面反射镜、平面标准镜）是光学系统的重要组成部分。在美国国家点火装置（National Ignition Facility，NIF）的光学系统内，192路光束共需约7500件420mm×420mm以上尺寸的大中型光学元件，再加上备份光学元件和小口径光学元件总计共需约30000件光学元件。它们的特征是高精度面形、超光滑表面、高表面/亚表面质量及大批量需求。值得注意的是，国家点火装置NIF中大约有80％的光学元件为平面元件（包括偏振片、钕玻璃片、反射镜以及脉冲压缩光栅等），仅第一期工程就使用了3000块尺寸为800mm×460mm×40mm的长方体激光玻璃平面光学元件。国内的神光III激光核聚变装置对口径为400-800mm的大中型光学元件（口径在300mm以上的光学元件可认为是大中型光学元件）的需求量也将近达万件，这其中就包含了大量的平面光学元件。国内的0902点火工程项目用于全口径光束的光学元件数量与美国国家点火装置NIF所需数量相当，其中75%以上的大中型镜片是平面光学元件。郭守敬望远镜（LAMOST）中的施密特反射镜由24个长边尺寸为1100mm、厚度为25mm的六边形平面反射镜组成。由此可见，大口径、高精度、特殊形状的平面光学元件在国内外的重大光学系统工程中得到了广泛的应用。

大中型平面光学元件在加工过程中，由于材料自身的力学性能以及对加工效率的一味追求，使得材料在加工过程中容易产生微裂纹、划痕、残余应力等亚表面损伤缺陷，这些缺陷的存在将会导致大中型平面光学元件的成像质量和抗激光损伤能力下降。因此，如何快速、准确地检测大中型平面光学元件亚表面损伤缺陷的深度已成为机械制造领域和光学制造领域亟待解决的关键问题。

近些年来，国内外学者对脆性材料的精密/超精密加工开展了广泛而深入的研究，推动了亚表面损伤检测技术的迅速发展，先后出现了多种破坏性检测方法，如截面显微法、HF酸蚀刻速率法、Ball Dimpling法、角度抛光法、磁流变抛光法、聚焦离子束轰击法、纳米压痕法等。此外，随着多学科交叉融合的发展，诞生了一些非破坏性检测方法，其基本原理是利用脆性材料内部缺陷引起材料对热、声、光、电、磁等反应的变化来探测材料或者结构内部的异常和缺陷。如声学显微镜法，显微拉曼光谱法，激光散射法，X射线衍射法，全内反射强度检测法，光学相干层析法，共聚焦激光扫描法等。除了通过实验的手段检测亚表面损伤以外，通过建立数学模型的方式来预测预报亚表面损伤深度也是重要手段之一。如LAMBROPOULOS基于压痕断裂力学系统建立的中位裂纹深度模型，张璧提出的与未变形切屑厚度相关的亚表面损伤模型，王卓等人提出的表面粗糙度与亚表面损伤深度之间的关系模型等。

无论是破坏性检测方法、非破坏性检测方法还是理论预测方法，都有其各自的优点，也存在明显不足。破坏性检测会导致昂贵的光学元件破坏或失效，且检测过程对于操作人员的经验有很大的依赖性。非破坏性检测方法存在着测量精度低，探测深度浅，测量结果不直观，测试系统成本高等问题。理论预测方法中预测模型的建立基本上以经验型公式为基础，加上一些假设条件的引入，使得预测结果的准确性难以保障。此外，上述所列举的破坏性检测方法、非破坏性检测方法及理论预测方法的应用基本上停留在以实验室环境下的加工试样为检测对象，而针对工程应用背景下的大中型平面光学元件的亚表面损伤检测的实用性不强。

发明内容