[发明专利]溶胶-凝胶膜面激光清洗设备及其清洗方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光清洗设备及其清洗方法，属于光学材料与激光技术领域，特别涉及一种溶胶-凝胶膜面激光清洗设备及其清洗方法。

背景技术

在大型高功率激光系统中，石英材料(主要成分：SiO₂)被广泛应用于透镜、窗口和屏蔽片等，在强激光的运行过程中，某一部分元件损伤导致的石英颗粒的飞溅容易玷污其它未损伤元件。溶胶-凝胶化学膜(如SiO₂单层增透膜等)由于其低廉的成本、优良的抗激光损伤性能、简单的镀膜工艺、适宜于大口径元件的镀制，因而被广泛应用于强激光系统。但是化学膜具有疏松多孔的结构，纳米级的孔隙布满了丰富的悬挂键，大大提高了膜面的附着力，同时也为各类污染物提供了良好的“藏污纳垢”之所。因此，膜面石英粉尘颗粒的污染将在所难免，这些颗粒的存在一方面由于散射、反射等效应造成后续光路光束质量下降；另一方面，导致元件低阈值损伤。

传统的清洗技术包括机械清洗、化学湿法清洗、超声波清洗等等，它们对微米、亚微米级的污染物的清洗往往无能为力。另外，机械擦试的方法容易造成膜面的刮伤；有机喷、淋、浸泡等容易造成膜面的剥落或带来二次污染，还容易对操作人员的身体带来伤害；超声波清洗将会给薄膜和元件都带来潜在的损伤。对溶胶-凝胶膜的清洗要求在移除污染物的同时，既不损伤脆弱的膜面，又不能带来二次污染。因此任何接触式的方法都会带来潜在的问题，但是激光清洗可以做到这一点。传统的激光清洗技术是指将激光光束集中辐照到清洗物表面已达到清洗的目的，其清洗机理存在于以下3方面：(1)激光脉冲振动：利用较高频率的脉冲激光辐照被清洗物表面，光束转变为声波并从下层硬表面返回，与入射波发生干涉，从而产生共振使污垢层或凝结物振动碎裂；(2)热膨胀效应：利用基底与表面污染物对某一波长激光能量吸收系数的差别，使基底物质或表面污物吸收能量而热膨胀，克服基底对污染物的吸附力而脱落；(3)分子的光分解或相变：在瞬间使污垢分子或使人为涂上的辅助液膜汽化、分解、蒸发或爆沸，使表面污垢松散并随以上效应脱离基底表面。激光清洗技术由于不污染环境、清洗效果好、效率高等优点，已被广泛应用于电子线路、半导体元件、文物保护、除锈脱漆等领域。

发明内容

本发明的目的是提出一种非接触的、且不带来样品损伤和二次污染的方法来清洗极其脆弱且极易被污染的溶胶-凝胶膜面的设备及其清洗方法。通过进一步提高脉冲激光的能量，诱导空气介质光学击穿，产生一个近球状的等离子体冲击波，利用其冲击波力将高功率溶胶-凝胶薄膜表面颗粒污染物清除。

本发明采用的技术方案：

一种溶胶-凝胶膜面激光清洗设备，包括脉冲激光器、劈板、透镜、二维移动平台、准直激光器、能量计、步进电机和计算机；其特征在于：样品置于二维移动平台上，计算机通过电缆分别与脉冲激光器和步进电机连接，并且计算机控制脉冲激光器和步进电机，步进电机控制二维移动平台；脉冲激光器发出的脉冲激光经劈板后分成两束，一束进入能量计，用于监测清洗光源的能量，另一束经过透镜聚焦达到二维移动平台作为清洗光源；准直激光器产生的准直光到达劈板后与主激光的光路重合，在清洗过程中通过准直光来断定主激光的位置；二维移动平台的分辨率为微米级，以保证扫描过程中相邻等离子体冲击波与膜平面截面积的重叠率达50％以上；单个冲击波与膜平面的截面积等效于脉冲激光器触发单发脉冲致膜面清洗的面积。

优选地，所述的脉冲激光器为Nd:YAG激光器，XeF准分子激光器，且清洗光源聚焦焦点处的能量足够击穿空气。

优选地，所述的准直激光器是He-Ne激光器或半导体激光器。

优选地，所述的溶胶-凝胶膜面为溶胶-凝胶SiO₂单层增透膜、溶胶-凝胶SiO₂/ZrO₂交替镀制的多层高反膜、溶胶-凝胶SiO₂/HfO₂交替镀制的多层高反膜。

优选地，样品垂直放置，脉冲激光传播方向与样品膜面平行。