[发明专利]亚表面缺陷的检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学加工，特别是一种用于光学加工中产生的亚表面缺陷的检测方法，一种适合于检测脆性材料亚表面缺陷深度和形貌的方法。

背景技术

在激光核聚变需求的牵引下，美、日、法、中、英、俄等国先后建造了20多台大型激光驱动装置。美国和法国正分别建造“国家点火装置”和兆焦耳激光器，俄罗斯计划建造ISKRA-6激光装置，我国也正在研制神光3激光装置。高功率激光装置需要大量高精度、大口径光学元件。美国NIF激光系统中用于全口径(0.5～1m)光束的光学元件超过7000多件，还有15000～20000件较小的光学元件。在大口径光学元件中，主要有平板玻璃、KDP晶体、熔石英玻璃等光学元件，它们以高精度面形、超光滑表面、大口径以及大批量为特征。随着能量密度的逐渐升高，光学元件的抗激光损伤能力越来越受重视。

这些光学元件在经研磨、抛光等光学加工后，材料表面以下通常出现不同程度的损伤，即亚表面损伤，例如微裂纹、残余应力等，也可称为亚表面缺陷。这些亚表面缺陷，尤其是微裂纹在高能激光辐照下可能导致局部场增强，降低光学材料的抗激光损伤能力，限制强激光系统的功率密度进一步提高。因此亚表面缺陷深度的有效检测，对有效地预测和控制光学加工产生的亚表面缺陷深度以及加工工艺参数的优化具有重要的意义。

研磨是光学加工成形的重要工序，也是亚表面缺陷产生的主要过程。罗切斯特大学光学加工中心首先提出了“击坑法”来测量研磨过程中产生的亚表面缺陷深度，其装置示意图见图1。“击坑法”基本步骤为：研磨样品表面后，用10％氢氟酸腐蚀样品研磨面30秒。由于亚表面微裂纹大多是沿着样品表面向下的闭合裂纹，不易观察，通过酸液的毛细作用渗入亚表面裂纹腐蚀裂纹壁以扩张闭合的微裂纹。在样品表面氢氟酸腐蚀处采用已知直径的钢球结合抛光液抛光出球冠状凹坑以暴露出亚表面缺陷。沿着表面法向的亚表面裂纹与凹坑球冠面相交呈点状，且截面缺陷点密度从凹坑边缘向中心逐渐降低，凹坑足够深时，凹坑中心为无缺陷区域，见图2，借助测量显微镜分别测量凹坑直径和亚表面缺陷截至区域直径，利用几何关系从凹坑球矢深度中减去无缺陷区域球矢深度，得出亚表面缺陷深度。亚表面缺陷深度几何计算公式为：

SSD=[R-R-(D1/2)2]-[R-R-(D2/2)2]]]>

其中

SSD是亚表面缺陷深度

R  是钢球半径

D₁ 是凹坑直径

D₂ 是亚表面缺陷环带内径

基于相似的原理，以磁流变抛光设备代替“击坑法”中的钢球在研磨样品表面抛出凹槽，并采用触针式轮廓仪测量出凹槽形貌再通过几何关系计算出亚表面缺陷深度。

以上提到的两种检测亚表面缺陷方法，都属于破坏性检测，需要特殊专用的辅助设备，如击坑装置和磁流变抛光设备，通过抛光的方式去除研磨样品局部表面材料暴露出亚表面缺陷，并通过一定的几何原理间接计算出亚表面缺陷深度。在样品表面局部区域抛光过程中，由于抛光正压力的作用，导致微裂纹的扩展而引入附加缺陷，且抛光非常耗时，通常需要耗费数小时以上才能充分暴露出亚表面缺陷。虽然磁流变抛光方法可以较快地实施检测，但是磁流变抛光设备非常昂贵。另外凹槽、凹坑通过平面截面的形式表现亚表面缺陷，不能真实呈现亚表面缺陷形貌特征，间接通过几何关系计算得出亚表面缺陷深度精度有限，且误差较大。

发明内容

本发明旨在提供一种简单快速、成本低的亚表面缺陷的检测方法。