一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法

摘要

本发明公开的一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法，属于激光应用技术领域。本发明将高斯激光整形成具有时间延时的贝塞尔光束；通过掩膜板将石英的损伤区域置于其中，该区域即为待去除区域；通过贝塞尔光束在待去除区域中单点加工出具有深度的微孔阵列；将激光改性后的石英放于氢氟酸中，对改性立方体结构进行去除，此时裂纹区域也被去除，实现大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复。本发明利用双折射晶体将高斯激光产生双脉冲，增强激光在材料内的能量沉积效率。利用锥透镜以及4f系统生成高长径比的贝塞尔光束，增强激光的改性长度。利用飞行时间扫描辅助掩膜板加工在裂纹区域实现高效率、大面积、高一致性的微孔阵列加工。

权利要求

1.一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法，其特征在于：将高斯激光整形成具有时间延时的贝塞尔光束；通过掩膜板将石英的损伤区域置于其中，该区域即为待去除区域；通过贝塞尔光束在待去除区域中单点加工出具有深度的微孔阵列；将激光改性后的石英放于氢氟酸中，对改性立方体结构进行去除，此时裂纹区域也被去除，实现大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复；

用于实现所述的飞秒激光修复方法的飞秒激光修复装置，包括飞秒激光系统、衰减片、机械开关、双折射晶体、锥透镜、平凸透镜、CCD、二向色镜、物镜、掩模版、熔融石英样品、六自由度平移台、光源、计算机控制系统；飞秒激光系统产生的激光依次经过衰减片、双折射晶体、锥透镜、平凸透镜到二向色镜并反射后经过物镜，到熔融石英样品；掩模版置于熔融石英样品裂纹损伤区域；熔融石英样品置于六自由度平移台表面；光源给熔融石英样品照明，像被CCD采集；机械开关控制激光通断；计算机控制系统协调控制激光器、平移台以及机械开关；将激光改性后的样品放于氢氟酸中，对改性立方体结构进行去除，此时裂纹区域也被去除，实现大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复。

2.如权利要求1所述的一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法，其特征在于：通过贝塞尔光束在待去除区域内利用飞行时间扫描方式单点加工出具有深度的微孔阵列，通过调整贝塞尔区域与材料相对位置实现对预定深度裂纹去除。

3.如权利要求1所述的一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法，其特征在于：设置激光扫描区域大于掩模版区域，保证由于平移台加减速导致的脉冲累积不会作用在石英裂纹区域，实现对材料均匀改性。

4.如权利要求1所述的一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法，其特征在于：利用双折射晶体产生双脉冲序列，搭配锥透镜以及4f系统生成具有时间延迟的贝塞尔光束，实现单脉冲高深径比材料改性，增强能量沉积效率，便于后续刻蚀。

说明书

一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法，属于激光应用技术领域。

背景技术

[0002] 熔融石英被广泛应用于高功率固体激光装置中作为透镜、窗口等光学元件。高功率激光系统必须在稳定运行的前提下最大限度地提升激光通量，而高功率激光系统能量往往接近光学元件阈值，光学元件体内吸收性杂质、表面缺陷、杂质等在激光辐照情况下会产生损伤。激光诱导的损伤不仅会导致激光能量耗散并且如果裂纹不及时处理，损伤裂纹将呈几何级数增长，破坏元件结构，影响元件性能，进而导致光学系统性能下降。由于大口径熔融石英加工周期长且价格昂贵，频繁更换时间成本以及价格成本较高，因此需要对光学元件上损伤处进行修复。

[0003] 由于熔融石英的硬脆特性，采用接触式机械加工方法作用在熔融石英上，会产生崩边以及微裂纹，严重影响光学元件强度以及光学性能，因此无法采用接触式机械加工的方法对损伤区域进行去除。目前最常用的熔融石英光学元件修复方法为CO2激光修复方法。尽管CO2激光熔融修复熔融石英表面损伤点可以有效提高损伤阈值，但是由于CO2激光具有强的热效应，在对熔融石英进行辐照时，会产生较严重的热应力以及残余应力，影响光学元件性能。由于飞秒激光脉宽较短，材料中电子吸收光子时间远小于晶格弛豫时间，当采用单点加工时可视为非热加工，有效避免了热效应的出现。此外，目前常用的飞秒激光修复方式只能针对深度小于200μm的裂纹，并不能针对尺寸较大、深度较深的熔融石英裂纹损伤进行修复。

发明内容

[0004] 为了解决光学元件上存在深度超过500μm的裂纹损伤的问题，本发明的主要目的是供一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法，利用双折射晶体将高斯激光产生具有一定延时的双脉冲，增强激光在材料内的能量沉积效率。利用锥透镜以及4f系统生成高长径比的贝塞尔光束，增强激光的改性长度。利用飞行时间扫描辅助掩膜板加工在裂纹区域实现高效率、大面积、高一致性的微孔阵列加工，实现在材料内部的大面积、高深度改性。利用氢氟酸辅助刻蚀对改性裂纹区域进行去除，实现对于光学元件的修复。

[0005] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

[0006] 本发明公开的一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法，包括如下步骤：

[0007] 步骤一：对光场进行调节，保证光场能量为高斯型强度分布；

[0008] 步骤二：使高斯激光垂直入射到双折射晶体上，保证激光偏振方向与双折射晶体快轴方向成45°，将高斯激光整形为两个有预定延时的双脉冲序列；

[0009] 步骤三：通过衰减片调整激光能量，保证安放锥透镜后光学元件不会被损坏；

[0010] 步骤四：安放锥透镜，保证入射锥透镜的激光从锥透镜中心垂直入射，此时将双脉冲高斯激光整形为大尺度双脉冲贝塞尔光束；

[0011] 步骤五：放置平凸透镜与物镜组成的4f系统，对大尺度双脉冲贝塞尔光束进行缩束，生成微型双脉冲贝塞尔光束；

[0012] 步骤六：在熔融石英需要去除的损伤区域处放置掩膜板；

[0013] 步骤七：调整平移台保证熔融石英上表面有孔的情况下，调整贝塞尔区域在熔融石英内部的长度，通过设定平移台扫描速度以及激光器重复频率确定脉冲间隔(脉冲间隔＝扫描速度/激光器重复频率)，利用飞行时间扫描的方式，对掩膜板处进行加工，得到改性立方体结构；

[0014] 步骤八：将激光改性后的样品放于氢氟酸中，对改性立方体结构进行去除，此时裂纹区域也被去除，实现大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复。

[0015] 本发明公开的一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复装置，用于实现所述的一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法，所述飞秒激光修复装置包括飞秒激光系统、衰减片、机械开关、双折射晶体、锥透镜、平凸透镜、CCD、二向色镜、物镜、掩模版、熔融石英样品、六自由度平移台、光源、计算机控制系统。飞秒激光系统产生的激光依次经过衰减片、双折射晶体、锥透镜、平凸透镜到二向色镜并反射后经过物镜，到熔融石英样品；掩模版置于熔融石英样品裂纹损伤区域；熔融石英样品置于六自由度平移台表面；光源给熔融石英样品照明，像被CCD采集；机械开关控制激光通断；计算机控制系统协调控制激光器、平移台以及机械开关。将激光改性后的样品放于氢氟酸中，对改性立方体结构进行去除，此时裂纹区域也被去除，实现大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复。

[0016] 有益效果：

[0017] 1、本发明公开的一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法，通过将高斯激光整形为高长径比的贝塞尔光束可以实现对熔融石英内部高深度、高连续性改性，单脉冲改性深度可达500μm以上，能够避免传统物镜、平凸透镜在熔融石英中改性程度弱、改性深度浅的问题，便于高效率、大尺寸损伤区域去除。

[0018] 2、本发明公开的一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法，利用飞秒激光单点加工微孔阵列进行熔融石英损伤裂纹修复，可以有效避免热效应，避免热应力以及残余应力的产生。此外，采用加工微孔阵列的方式，可以使刻蚀从改性点向四周扩散，实现了对损伤区域的快速去除，有效缩短刻蚀时间，避免刻蚀时间过长对于样品的损伤以及可能造成的刻蚀形貌不规则问题。

[0019] 3、本发明公开的一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法，利用双折射晶体产生双脉冲序列，能够避免复杂迈克尔逊光路调节空间重合以及脉冲延时的步骤，极简化生成双脉冲序列，增强熔融石英中的能量沉积效率。

[0020] 4、本发明公开的一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法，采用飞行时间扫描的方式，能够避免逐点加工微孔阵列以及沿深度方向逐层扫描，大幅提高加工效率。

附图说明

[0021] 图1为本发明提出的一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法的光路示意图。

[0022] 图2为本发明所提出的一种大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复方法的原理示意图。图2(a)为掩模版辅助下利用双脉冲贝塞尔光束在熔融石英表面加工周期性微孔阵列；图2(b)为利用HF刻蚀加工过的熔融石英，由改性区域开始向四周进行刻蚀；图2(c)为HF溶液刻蚀后的形貌，改性区域被完全去除，相应的损伤区域也被去除。

[0023] 图3为本发明所提出扫描方式示意图。

[0024] 其中，1‑飞秒激光系统、2‑衰减片、3‑机械开关、4‑双折射晶体、5‑锥透镜、6‑平凸透镜、7‑CCD、8‑二向色镜、9‑物镜、10‑掩模板、11‑熔融石英样品、12‑六自由度平移台、13‑光源、14‑计算机控制系统。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

[0026] 实施例1

[0027] 实现上述方法的装置，其特征在于：包括：飞秒激光系统1、衰减片2、机械开关3、双折射晶体4、锥透镜5、平凸透镜6、CCD7、二向色镜8、物镜9、掩模版10、熔融石英样品11、六自由度平移台12、光源13、计算机控制系统14。飞秒激光系统1产生的激光依次经过衰减片2、双折射晶体4、锥透镜5、平凸透镜6到二向色镜8并反射后经过物镜9，到熔融石英样品11；掩模版10置于熔融石英样品11裂纹损伤区域；熔融石英样品11置于六自由度平移台12表面；光源13给熔融石英样品11照明，像被CCD7采集；机械开关3控制激光通断；计算机控制系统
14通过软件协调控制飞秒激光系统1、平移台12以及机械开关3。

[0028] 本实例选用四面抛光熔融石英作为加工材料，尺寸为50mm×6mm×4mm，去除材料尺寸为2mm×2mm×0.5mm。该实例具体步骤如下：

[0029] (1)本发明采用的光路系统如图1所示。飞秒激光系统1激光出光口激光为脉宽50fs，波长800nm的高斯型激光，重频1‑1000Hz可调。先对光路进行调节，保证经过光学元件入射到锥透镜的光场为标准高斯型分布，不然会影响贝塞尔光束的径向能量均匀程度。

[0030] (2)选用厚度为25.60mm的方解石作为双折射晶体4，放置双折射晶体4在光路上，保证激光偏振方向与双折射晶体快轴方向成45°，此时两个子脉冲延时为15.42ps，该脉冲延时可以实现对熔融石英强的能量沉积。

[0031] (3)调整光阑直径为6mm，旋转连续型衰减片2调整激光能量为30mw。

[0032] (4)安装2°锥透镜5，保证激光垂直入射到锥透镜中心，此时生成的贝塞尔区域较长，能量密度较低，无法实现对熔融石英的有效加工。

[0033] (5)放置150mm平凸透镜6以及20X物镜9(NA＝0.45)，保证平凸透镜6和物镜9距离为159mm，利用4f系统对光场进行缩束，生成微型贝塞尔光束。

[0034] (6)将2mm×2mm的方形铜掩膜板10放置在熔融石英11上要去除的区域。由于平移台12运动过程是加速‑匀速‑减速，激光保持常开，因此在扫描矩形区域两侧会出现脉冲过量累计的现象，使用掩膜板10可实现对加工区域的有效控制。设置扫描面积大于掩膜板面积，可以避免平移台加减速过程作用在熔融石英裂纹区域，保证对裂纹区域均匀改性。

[0035] (7)利用双脉冲贝塞尔加工周期性微孔阵列示意图如图2(a)所示，调整贝塞尔区域与材料的相对位置，此时保证熔融石英中贝塞尔改性区域为500μm。扫描方式如图3所示，采用光栅型扫描路径，设置扫描面积为3mm×2mm，水平方向扫描长度为3mm，竖直方向扫描长度为2mm。水平方向微孔间距靠重频跟平移台12移动速度控制，设置重频为100Hz，扫描速度为1000μm/s，此时水平方向脉冲间距为10μm，每条水平方向线扫描结束后，控制平移台12使熔融石英样品11沿竖直方向运动10μm，这样可以保证水平方向与竖直方向加工的孔的间隔都为10μm。由于掩膜板10的存在以及扫描面积大于掩膜板面积，水平方向由于平移台加减速导致的脉冲过量累计，并未作用在熔融石英损伤去除区域，实际加工面积为2mm×2mm。此时改性区域为2mm×2mm×0.5mm的微孔阵列的区域。

[0036] (8)如图2(b)所示，将步骤(7)得到的带有改性区域的样品放置在质量分数20％的氢氟酸溶液中刻蚀，可得到2.1mm×2.1mm×0.43mm的凹槽，如图2(c)所示。此时熔融石英上裂纹区域已被去除，经飞秒激光修复后，修复点的损伤阈值远高于修复前损伤点的阈值，实现大尺寸光学元件裂纹损伤的飞秒激光修复。

[0037] 以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。