熔石英元件拋光加工亞表面缺陷的檢測

王洪祥，朱本溫，王景賀，侯 晶，，陳賢華

(1.哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150001;2.中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900)

光學元件在切割、研磨、拋光、清洗過程中，不可避免地會在材料表面/亞表面區(qū)域產(chǎn)生各種缺陷和雜質(zhì)，這些擴展到表面以下深度幾微米甚至幾百微米的缺陷和雜質(zhì)大大降低了高功率固體激光裝置的負載能力［1－2］.光學元件的亞表面缺陷是指在機械加工過程中產(chǎn)生于工件近表面區(qū)域的微裂紋、劃痕、變形和污染雜質(zhì)等缺陷［3］.LAMBROPOULOS等人提出了微晶玻璃研磨加工中產(chǎn)生的亞表面缺陷由亞表面裂紋層和殘余應(yīng)力層組成［4］.而美國LLNL實驗室Hed則認為光學材料拋光后殘留的亞表面損傷層由拋光再沉積層、缺陷層和變形層3部分組成［5］.CAMP等人認為拋光加工亞表面缺陷層由水解反應(yīng)產(chǎn)生的水解層(再沉積層)和亞表面缺陷層組成，其中水解層主要是指在拋光過程產(chǎn)生的拋光點和劃痕［6］，拋光時拋光液中的水分與玻璃表面發(fā)生水解反應(yīng)，在玻璃表面形成硅酸凝膠薄膜，嵌入凝膠層中的拋光雜質(zhì)對激光損傷閾值的影響顯著［7－8］.雖然磁流變拋光、離子束加工能夠有效抑制傳統(tǒng)拋光產(chǎn)生的亞表面劃痕，但依然會引入新的拋光雜質(zhì)［9－11］.

光學元件的亞表面缺陷除了通過降低光學元件的長期穩(wěn)定性和鍍膜質(zhì)量間接影響光學元件的面形精度外，還直接降低光學元件的使用壽命、成像質(zhì)量和激光損傷閾值等重要性能指標［12］.另外，光學元件表面劃痕、裂紋對激光電磁場調(diào)制引發(fā)的熱效應(yīng)、自聚焦與再沉積層的雜質(zhì)對激光光子能量的吸收是造成光學元件激光損傷的主要原因［13－14］.為此，本文將深入了解光學元件拋光加工亞表面缺陷產(chǎn)生的原因及其變化規(guī)律，并通過優(yōu)化拋光工藝流程將拋光雜質(zhì)和亞表面缺陷有效去除，最終獲得滿足使用要求的超微損傷光學元件，以期進一步提高光學元件抗激光損傷能力.

1 亞表面損傷深度的確定

熔石英玻璃主要成分是二氧化硅，在加工過程中二氧化硅與拋光液產(chǎn)生水解反應(yīng)生成硅酸凝膠，覆蓋在試件表面形成水解層.拋光水解層中將不可避免地產(chǎn)生拋光液的殘留以及拋光墊的污染，從而在表層引入新的雜質(zhì)粒子.這些吸收性的雜質(zhì)能夠強烈地吸收入射激光的輻射能量，造成吸收區(qū)溫度快速升高，導致熱應(yīng)力值增大，大大降低了光學元件的抗激光損傷能力［15］.

本文選取12塊熔石英試件，采用規(guī)格為W14的碳化硅磨粒研磨1 h，而后采用氧化鈰拋光液拋光6 h，保證研磨過程產(chǎn)生的大尺度脆性劃痕被完全去除或者被覆蓋在水解層以下.研磨與拋光過程的主軸轉(zhuǎn)速分別為50和40 r/min，研磨液和拋光液的含量(質(zhì)量分數(shù))分別為10%和8%，采用的壓強均為22 kPa.配制HF酸蝕刻溶液質(zhì)量分數(shù)為5%，采用石蠟將所有試件涂覆一半的面積以防止酸腐蝕，然后將試件放入盛有HF酸蝕刻液的塑料燒杯中，蝕刻溫度為11℃.將蝕刻后的熔石英試件烘干，利用觸針式輪廓儀測量得到不同時刻的蝕刻臺階高度，見圖1.

檢測結(jié)果如表1所示，根據(jù)實驗檢測結(jié)果可以繪出熔石英拋光件在一定時間內(nèi)的蝕刻速率曲線，進而可確定出亞表面損傷層的深度，熔石英拋光試件蝕刻速率曲線如圖2所示.由圖2可見，熔石英試件的蝕刻速率隨著時間的增加呈現(xiàn)遞減的趨勢，且在蝕刻的初始階段蝕刻速率下降尤為明顯.這是因為硅酸凝膠層濃度隨著深度的增加呈現(xiàn)梯度遞減變化，在距離表面越深的地方浸入的水分子越少，越不利于水解反應(yīng)的進行，因此，蝕刻速度呈現(xiàn)遞減的趨勢.另外，熔石英表面水解層的蝕刻速率明顯大于基體的蝕刻速率，這是由于拋光液與試件的水解反應(yīng)導致水解層的疏松度較高，蝕刻時HF蝕刻液進入疏松層中增大了蝕刻液與試件的接觸面積，且水解反應(yīng)生成的硅酸凝膠更容易與蝕刻劑發(fā)生化學反應(yīng)，導致在熔石英表面水解層的蝕刻速率明顯偏高.

圖1 熔石英試件的腐蝕臺階高度

表1 檢測結(jié)果

圖2 熔石英拋光試件蝕刻速率曲線

當蝕刻深度為0～195.6 nm時，蝕刻速率隨蝕刻時間動態(tài)變化;而當蝕刻深度超過265.2 nm后，蝕刻速率基本保持不變，這說明全部或部分覆蓋在水解層以下的缺陷層已經(jīng)被完全蝕刻去除，經(jīng)過檢測可以判定熔石英元件拋光加工亞表面損傷深度大約為265.2 nm.

2 拋光雜質(zhì)種類及分布

目前主要采用二次離子質(zhì)譜法檢測熔石英拋光表面雜質(zhì)元素種類及分布狀況，該方法利用高能量的離子束如 Ar+、Ga+等對拋光表面進行沖擊，通過分析表層濺射元素的特征得出雜質(zhì)的種類以及嵌入深度等信息.這種方法檢測精度高，可以檢測到痕量雜質(zhì)元素，但檢測過程非常復雜，成本較高.本文采用XRF熒光光譜儀檢測拋光表層物質(zhì)成分，選擇4個熔石英試件進行蝕刻實驗，其蝕刻深度分別為0、120、195.6、341 nm，試件經(jīng)過超聲清洗以去除表面沉積物.XRF光譜儀電壓參數(shù)設(shè)為60 kV，電流參數(shù)設(shè)為60 mA，根據(jù)檢測結(jié)果得到各元素含量隨深度變化曲線，如圖3所示.

圖3 熔石英表層元素含量隨深度變化曲線

由圖3可見，未經(jīng)過蝕刻的熔石英拋光試件表面存在Na、Al、Fe、Cu、Ni等雜質(zhì)元素，其中Al和Ni元素位于試件的表面，蝕刻6 min后消失.試件水解層中Fe和Cu元素的含量隨蝕刻深度的變化保持不變，當蝕刻深度超過拋光表面水解層深度時，F(xiàn)e、Cu元素仍然存在，由此可知Fe、Cu元素是在研磨過程或者毛坯加工過程引入的.而Na元素的含量隨著深度增加呈現(xiàn)遞減的規(guī)律變化，當蝕刻深度為351 nm時Na元素的含量為零.Na元素是由拋光過程中引入，該種元素鑲嵌在水解層中，當水解層被完全去除后Na元素也隨之消失.

3 亞表面缺陷層的劃痕類型

亞表面缺陷層全部或部分覆蓋在水解層以下，其損傷形式包括亞表面裂紋、脆性劃痕、塑性劃痕和殘余應(yīng)力等.為了深入分析拋光加工亞表面產(chǎn)生的損傷形貌，對試件進行以下處理:選用規(guī)格為W28的碳化硅磨料對熔石英試件進行研磨，然后再經(jīng)過3 h的傳統(tǒng)化學機械拋光處理(聚氨酯拋光墊、氧化鈰拋光液、拋光壓強18 kPa，主軸轉(zhuǎn)速30 r/min)，利用三維超景深光學顯微鏡進行檢測，可見拋光加工表面存在徑向劃痕、橫向劃痕、拖尾劃痕3種基本類型的劃痕，以及拖尾劃痕－徑向劃痕和拖尾劃痕－橫向劃痕兩種混合型的劃痕，各種類型的劃痕形貌見圖4.

圖4 各種類型的劃痕形貌

其中徑向劃痕是由尖銳壓頭在試件表面刻劃產(chǎn)生的，劃痕寬度小，垂直于試件表面向下擴展，并在整個刻劃區(qū)域內(nèi)保持連續(xù).橫向劃痕為試件表面刻劃產(chǎn)生的一種最常見的劃痕，劃痕內(nèi)部呈鋸齒不連續(xù)狀，包含了大量的顆粒狀碎屑，劃痕寬度較大.鈍性壓頭在試件表面運動不連續(xù)，重復碾壓工件形成拖尾劃痕，拖尾劃痕與橫向劃痕都是由材料的脆性斷裂引起，具有相似的損傷形貌特征.

4 不同深度的亞表面損傷形貌

利用原子力顯微鏡檢測不同刻蝕深度下的熔石英試件亞表面損傷狀況，檢測結(jié)果見圖5.由圖5可知，經(jīng)過拋光后的表面非常光滑，缺陷較少，而蝕刻到一定深度后出現(xiàn)深度較淺的凹點和塑性劃痕等亞表面缺陷，此時并沒有出現(xiàn)研磨過程殘留的脆性劃痕.當蝕刻深度達到145.6 nm時，熔石英試件表面出現(xiàn)大量相互交錯的塑性劃痕，且劃痕圖像較為模糊，這說明拋光表面的水解層還沒有完全被去除;當蝕刻深度達到265.2 nm時，劃痕、坑點清晰地顯露出來，此時蝕刻到達基體，覆蓋在表面水解層以下的缺陷層被完全去除.

圖5 不同深度的亞表面損傷形貌

分別對蝕刻深度為79 nm與蝕刻深度為265.2 nm表面上的劃痕進行尺度分析，得到劃痕截面輪廓如圖6、7所示，可見蝕刻深度79 nm的表面劃痕深度和寬度都明顯小于蝕刻深度265.2 nm時的表面劃痕.這是因為熔石英玻璃在加工過程中產(chǎn)生的淺表面流動層覆蓋于試件表面，試件上的各點因拋光軌跡不同，摩擦熱分布也不均衡，導致水解層流動過程中不同區(qū)域覆蓋的深度不一樣.在蝕刻深度較小時，淺表面流動層分布不均勻?qū)е聞澓蹆H顯露出一部分，所以此時劃痕的尺度要比完全去除水解層時小.另外，同一個試件在不同點處的截面劃痕的寬度和深度也存在明顯差異，這是由于氧化鈰拋光粉的粒度分布不均衡以及磨粒在拋光液中產(chǎn)生團聚現(xiàn)象引起的.

圖6 蝕刻深度為79 nm時不同位置點處的截面輪廓

圖7 蝕刻深度為265.2 nm時不同位置點處的截面輪廓

5 結(jié)論

1)基于HF酸化學蝕刻法對熔石英元件拋光加工產(chǎn)生的亞表面缺陷進行了檢測，并利用X射線熒光光譜儀檢測熔石英拋光表面雜質(zhì)元素的種類及分布狀況.

2)根據(jù)輪廓儀測量得到不同時刻的蝕刻臺階高度，繪制出熔石英拋光試件蝕刻速率曲線，并系統(tǒng)分析了蝕刻速率隨著時間的增加呈現(xiàn)遞減趨勢變化的原因.

3)提出了熔石英元件拋光加工亞表面損傷深度的判定方法，即蝕刻速率基本保持不變時，說明全部或部分覆蓋在水解層以下的缺陷層已經(jīng)被完全蝕刻去除，由此可以確定熔石英元件拋光加工亞表面損傷深度.

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