基于离子溅射技术的纳米尺度光学亚表面损伤检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于离子溅射技术的纳米尺度光学亚表面损伤检测方法，步骤包括：1)对被检测光学元件的表面进行离子束溅射形成斜坡槽，由于光学元件亚表面损伤区域会产生材料的稠密化效应，在后续的离子束溅射过程中材料稠密化的亚表面损伤区域的离子束溅射去除速率将低于其他区域，使得被检测光学元件的亚表面损伤经离子束溅射后暴露在斜坡槽表面并生成与原有亚表面损伤结构相同的凸起纳米结构；2)利用原子力显微镜对斜坡槽内的凸起纳米结构进行测量，确定被检测光学元件的亚表面损伤深度信息。本发明专利技术能够测量光学元件亚表面纳米尺度的损伤，检测精度高、便于揭露亚表面损伤和观察。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学元件超精密加工过程中亚表面损伤检测技术，具体涉及一种基于离子溅射技术的纳米尺度光学亚表面损伤检测方法。
技术介绍
现代高性能光学系统对光学零件的制造要求，不仅限于纳米表面精度和超光滑表面，同时对亚表面质量的要求也几乎接近于物理极限，最典型的便是强光光学零件和光刻物镜的制造。在激光核聚变系统中，亚表面损伤是诱导光学零件激光照射损伤的主要因素，为了抵抗功率密度高达10J/cm2激光的辐射，需要实现强光光学零件全区域接近零损伤的加工。另外，目前制造领域精度要求最高的便是深紫外/极紫外光刻物镜的加工，需要将全口径的面形误差到纳米尺度的表面粗糙度全都控制在亚纳米量级，亚表面损伤对于亚纳米精度表面的生成至关重要。光学材料一般都为硬脆材料，在外力作用下容易发生脆性破坏。根据抛光过程中作用力的不同，材料去除方式可以分为弹性域、塑性域和脆性域的去除模式，传统抛光主要通过磨料与工件材料的力学作用实现材料塑性域和脆性域的去除，容易产生局部应力集中，而过大的局部应力集中会导致表面/亚表面损伤的生成，具体表现为表面裂纹、划痕和亚表面损伤等缺陷。针对磨削和传统抛光产生的亚表面损伤，国内外的研究学者提出了HF酸洗、磁流变抛光等方法去除对亚表面损伤进行去除。此外，由于亚表面损伤通常被表面的沉积物所覆盖，有关研究者还利用上述技术有效地去除了表面层，使得亚表面损伤得以暴露，成功地实现了传统抛光过程中亚表面损伤的检测。然而，在高性能光学零件的制造过程中，亚表面损伤呈现出微观量级的尺度/厚度，以及缺陷多样性的特点，上述方法已经很难满足损伤精确检测和无损伤加工的要求。一方面，采用增强化学抛光的方法，例如HF酸洗，利用了酸洗液或者磨料与表面材料的相互作用去除材料，尽可能地避免了稠密化效应，但是伴随产生的水解层不仅会掩盖微观尺度的亚表面损伤，而且还会影响光学零件的性能；另一方面，接触式的抛光方式，例如磁流变抛光，抛光颗粒与材料间始终存在一定的作用力，不可避免地会产生微观尺度的损伤，进而影响亚表面损伤的去除和检测。由此可见，上述方法在材料的去除过程中很难保持损伤的初始状态，并且本身就容易产生亚表面损伤和水解层，难以实现熔石英光学零件的无损伤加工和微观尺度的损伤检测。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够测量光学元件亚表面纳米尺度的损伤，检测精度高、便于揭露亚表面损伤和观察的基于离子溅射技术的纳米尺度光学亚表面损伤检测方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于离子溅射技术的纳米尺度光学亚表面损伤检测方法，步骤包括：1)对被检测光学元件的表面进行离子束溅射形成斜坡槽，由于光学元件亚表面损伤区域会产生材料的稠密化效应，在后续的离子束溅射过程中材料稠密化的亚表面损伤区域的离子束溅射去除速率将低于其他区域，使得被检测光学元件的亚表面损伤经离子束溅射后暴露在斜坡槽的表面并生成与原有亚表面损伤结构相同的凸起纳米结构；所述稠密化效应是指光学元件在抛光过程中由于受到抛光力的作用，产生的亚表面损伤区域的材料被压实，导致局部密度增大的现象；2)利用原子力显微镜对斜坡槽内的凸起纳米结构进行测量，确定被检测光学元件的亚表面损伤深度信息。优选地，所述步骤1)的详细步骤包括：1.1)获取对被检测光学元件的表面进行离子束溅射的去除函数R(x,y)；1.2)计算对被检测光学元件的表面进行离子束溅射的扫描速度V(X)；1.3)设定对被检测光学元件的表面进行离子束溅射的去除函数R(x,y)、以扫描速度V(X)对被检测光学元件的表面进行离子束溅射形成斜坡槽，使得被检测光学元件的亚表面损伤由于稠密化效应在斜坡槽内对应的深度位置形成凸起纳米结构，所述斜坡槽的深度为H1～HN之间的斜坡状凹槽，其中H1～HN为被检测光学元件的亚表面损伤深度检测范围。优选地，所述步骤1.1)的详细步骤包括：1.1.1)取一块与被检测光学元件相同材料的试验件；1.1.2)利用波面干涉仪对试验件的初始面形进行测量；1.1.3)设定加工的时间t，使用离子束在试验件表面上各指定位置进行定点轰击时间t；1.1.4)再次利用波面干涉仪对试验件经离子束轰击后的面形进行测量；1.1.5)将离子束轰击前后波面干涉仪测量得到的面形进行作差处理，得到试验件对应时间t的材料去除量A(x,y)，将所述材料去除量A(x,y)除以时间t，得到被检测光学元件由单位时间内的材料去除量构成的去除函数R(x,y)。优选地，所述步骤1.2)的详细步骤包括：1.2.1)在斜坡基于等距离l划分形成多个待扫描刻蚀点，得到点X1、点X2、…、点XN，其中X1表示离子束溅射的起始点，X2表示离子束溅射的第二个待扫描刻蚀点，XN表示离子
束溅射的终点，点X1对应的刻蚀深度为被检测光学元件的亚表面损伤深度检测范围的最小值H1，点XN对应的刻蚀深度为被检测光学元件的亚表面损伤深度检测范围的最大值HN；1.2.2)根据去除函数R(x,y)、各个待扫描刻蚀点的材料刻蚀深度计算在各个待扫描刻蚀点对应进行离子束溅射的扫描速度V(X)。优选地，所述步骤1.2.2)中计算在各个待扫描刻蚀点对应进行离子束溅射的扫描速度V(X)的函数表达式如式(1)所示；V(X)=(XN-X1)l∫-∞+∞R(x,y=0)dx(HN-H1)X+H1XN-HNX1---(1)]]>式(1)中，V(X)表示在待扫描刻蚀点X处的离子束扫描速度，X1表示离子束溅射的起始点，XN表示离子束溅射的终点，l表示等距离划分待扫描刻蚀点的间距，H1表示亚表面损伤深度检测范围的最小值，HN表示亚表面损伤深度检测范围的最大值，R(x,y)表示点(x,y)处的单位时间内的材料去除量，(x,y)表示沿X方向离去除函数中心距离分别为x、Y方向离去除函数中心距离为y的点。优选地，所述步骤2)的详细步骤包括：2.1)在斜坡中标记出不同刻蚀深度处的待测量点；2.2)利用原子力显微镜对标记的待测量点进行损伤测量，如果某一个待测量点能够观测到纳米损伤结构，则表明待测量点对应的深度区域存在亚表面损伤；如果所有待测量点都未观测到损伤结构，则表明被检测光学元件不存在亚表面损伤。本专利技术基于离子溅射技术的纳米尺度光学亚表面损伤检测方法具有下述优点：1、本专利技术基于离子束的物理溅射效应去除表面层材料，属于非接触的加工方法，本身不会由于局部应力集中而产生亚表面损伤，同时溅射过程不会产生额外的附加产物，能够更准确地揭露隐藏在表面层下的亚表面损伤。2、利用离子束溅射对微观材料稠密化现象的敏感特性，本专利技术提出的基于离子溅射技术的亚表面损伤检测方法能够测量纳米尺度的亚表面损伤，解决了现有方法在高性能光学零件加工中对纳米尺度亚表面损伤难以检测的难题。附图说明图1为本专利技术实施例方法的基本流程示意图。图2为本专利技术实施例方法中离子束溅射加工斜坡槽的示意图。图3为本专利技术实施例中利用离子束溅射加工的斜坡槽检测结果。图4为本专利技术实施例中被检测光学元件深度为40nm的亚表面质量显微图。图5为本专利技术实施例中被检测光学元件深度为60nm的亚表面质量显微图。图6为本专利技术实施例中被检测光学元件深度为80nm的亚表面质量显微图。具体实施方式如图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于离子溅射技术的纳米尺度光学亚表面损伤检测方法，其特征在于步骤包括：1)对被检测光学元件的表面进行离子束溅射形成斜坡槽，由于光学元件亚表面损伤区域会产生材料的稠密化效应，在后续的离子束溅射过程中材料稠密化的亚表面损伤区域的离子束溅射去除速率将低于其他区域，使得被检测光学元件的亚表面损伤经离子束溅射后暴露在斜坡槽的表面并生成与原有亚表面损伤结构相同的凸起纳米结构；所述稠密化效应是指光学元件在抛光过程中由于受到抛光力的作用，产生的亚表面损伤区域的材料被压实，导致局部密度增大的现象；2)利用原子力显微镜对斜坡槽内的凸起纳米结构进行测量，确定被检测光学元件的亚表面损伤深度信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于离子溅射技术的纳米尺度光学亚表面损伤检测方法，其特征在于步骤包括：1)对被检测光学元件的表面进行离子束溅射形成斜坡槽，由于光学元件亚表面损伤区域会产生材料的稠密化效应，在后续的离子束溅射过程中材料稠密化的亚表面损伤区域的离子束溅射去除速率将低于其他区域，使得被检测光学元件的亚表面损伤经离子束溅射后暴露在斜坡槽的表面并生成与原有亚表面损伤结构相同的凸起纳米结构；所述稠密化效应是指光学元件在抛光过程中由于受到抛光力的作用，产生的亚表面损伤区域的材料被压实，导致局部密度增大的现象；2)利用原子力显微镜对斜坡槽内的凸起纳米结构进行测量，确定被检测光学元件的亚表面损伤深度信息。2.根据权利要求1所述的基于离子溅射技术的纳米尺度光学亚表面损伤检测方法，其特征在于，所述步骤1)的详细步骤包括：1.1)获取对被检测光学元件的表面进行离子束溅射的去除函数R(x,y)；1.2)计算对被检测光学元件的表面进行离子束溅射的扫描速度V(X)；1.3)设定对被检测光学元件的表面进行离子束溅射的去除函数R(x,y)、以扫描速度V(X)对被检测光学元件的表面进行离子束溅射形成斜坡槽，使得被检测光学元件的亚表面损伤由于稠密化效应在斜坡槽内对应的深度位置形成凸起纳米结构，所述斜坡槽的深度为H1～HN之间的斜坡状凹槽，其中H1～HN为被检测光学元件的亚表面损伤深度检测范围。3.根据权利要求2所述的基于离子溅射技术的纳米尺度光学亚表面损伤检测方法，其特征在于，所述步骤1.1)的详细步骤包括：1.1.1)取一块与被检测光学元件相同材料的试验件；1.1.2)利用波面干涉仪对试验件的初始面形进行测量；1.1.3)设定加工的时间t，使用离子束在试验件表面上各指定位置进行定点轰击时间t；1.1.4)再次利用波面干涉仪对试验件经离子束轰击后的面形进行测量；1.1.5)将离子束轰击前后波面干涉仪测量得到的面形进行作差处理，得到试验件对应时间t的材料去除量A(x,y)，将所述材料去除量A(x,y)除以时间t，得到被检测光学元件由单位时间内的材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴一帆，廖文林，解旭辉，徐明进，鹿迎，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43