[发明专利]一种光学表面亚表层损伤测量装置和测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及非破坏性的定量检测技术领域，具体是属于光学表面亚表层损伤检测技术领域中的一种光学表面亚表层损伤测量装置和测量方法。

背景技术

大型固体激光工程、高性能激光武器、高精密光学系统及微制造加工等领域的不断深入发展，为世界范围内光学事业的发展提供了巨大的推动力。当然在此际遇到来的同时，光学领域的相关从业人员也面临着前所未有的巨大挑战。光学表面亚表层损伤（Subsurface Damage, SSD）测量及低损伤光学元件的加工是现阶段摆在光学工艺及光学超精密测量工程师们面前一个比较棘手的难题。因为要对大型光学系统或超精密元件表面的加工、表征进行全面深入的研究，不仅只包括表面面形和粗糙度的测量分析，还必须对光学表面亚表层的损伤情况进行精确的测量。

光学表面亚表层损伤从大的方面来说可以分为两类，一种是从材料继承来的缺陷，主要包括气孔、杂质粒子等；另一种是光学元件在磨削过程中产生的损伤，包括裂纹、残余应力以及在加工过程中引入表面再沉积层中的金属、氧化物颗粒等。光学表面亚表层损伤所产生的热效应、自聚焦效应等一系列复杂的光热、光声及激光场作用均会导致该元件激光损伤阈值的降低，这已经成为大功率激光器发展的一道主要技术障碍；对于长期工作使用的大型光学系统，镜片很可能由于自身重量或者机械装夹而导致亚表层裂纹延伸、扩散、最终使镜片疲劳损坏，降低光学元件的长期稳定性，缩短使用寿命；亚表层损伤改变了光学玻璃的均匀性，导致了玻璃折射率系数局部各向异性，影响大型光学系统的成像及镀膜质量；另外，随着精密、超精密及纳米加工技术、先进控制系统、激光测量技术、扫描探针显微镜等技术的发展，超精密加工表面的研究不断取得新的进展，其加工精度正逐步从亚微米提高到纳米级，通过超精密加工获得超光滑表面成为可能，要综合评价这些新方法的加工质量，也必须考虑各自的亚表层损伤程度。综上，光学表面亚表层损伤已经成为制约能源可持续发展，军事武器战斗力及高精密光学系统设计应用等领域进一步发展的瓶颈。研究一种可行、实用、定量的光学表面亚表层损伤检测方法，是科学技术发展至今对光学检测领域提出的又一重大要求。

传统的光学表面亚表层损伤的检测方法是破坏性的，例如：HF恒定化学刻蚀速率法、角度抛光法、Ball Dimpling法等都是一些比较成熟的测量方法。但是由于这些方法均会给被测元件带来损伤，测量的结果也受到测量方法自身因素的影响，而且测量时间通常比较长，因此具有很大的局限性，除一些特殊场合外正逐渐被非破坏行的测量方法所代替。

近年来，国内外的众多专家学者开始研究亚表层损伤的非破坏性检测方法。

例如，以美国罗彻斯特大学激光实验室（The Laboratory for Laser Energetics, LLE）代表的国内外多家研究机构希望通过建立合理的数学模型来研究亚表层损伤和表面粗糙度（Surface Roughness，SR）之间的联系，以通过测量光学零件表面粗糙度来预测亚表层损伤，该方法被称为亚表面损伤/表面粗糙度（SSD/SR）比例模型预测预报法。这种亚表层损伤的预报法只是在光学表面的加工过程中适用，有比较大的局限性，若对待未知工艺参数或者是非传统磨削工艺加工的光学表面，该方法就不再适用。

美国新墨西哥州立大学的Christian F. Kranenberg 等人提出将全内反射（Applied Optics, 1994, 33, 4248 ~ 4253）的方法应用到光学表面亚表层损伤的测量中来，该方法装置结构复杂，实现定量化测量难度非常大，而且其原理中应用了倏逝波，对于损伤比较深的光学表面也无法测量。

美国安捷伦科技公司的Kevin R.Fine等人提出了利用现有的商品化激光共聚焦显微镜测量亚表层损伤，也给出了一些比较有利的结论。但是，在具体操作过程中，激光共聚焦显微镜主要是用于测量微观表面形貌的，虽然测量光可以深入到样品内部，但是由于受到强的表面反射光的影响（王春慧、田爱玲等利用MIE散射理论对亚表层散射进行了研究，得出光学表面亚表层散射信号的强度大约比表面反射光要低3~4个数量级，SPIE, 2009, 7522, 75226K1~75226K7），通常无法获得亚表面的响应信号。

此外还有光学相干层析法、光声显微镜法、X射线衍射法等，但是这些方法都有比较大的局限性，例如不适用与非晶体光学玻璃、穿透深度太小，不适合于定量检测等。

发明内容

本发明提供一种光学表面亚表层损伤测量装置和测量方法，以克服现有技术存在的局限性较大、测量范围小和难以定量化的不足。