一种熔石英光学元件表面的处理方法技术

本发明专利技术提供了一种熔石英光学元件表面的处理方法，主要包括如下步骤：(A)对熔石英光学元件的表面进行反应离子刻蚀处理后，去离子水漂洗；(B)再采用HF‑NH4F缓释溶液对熔石英光学元件的表面进行刻蚀处理，去离子水漂洗，即可。本发明专利技术实施例的熔石英光学元件的表面处理方法实现了以较低的材料去除量对熔石英光学元件表面进行处理，并使得处理后的熔石英光学元件不仅具有较高的损伤阈值，还具有较低的粗糙度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及熔石英光学元件加工领域，具体而言，涉及一种熔石英光学元件表面的处理方法。
技术介绍
熔石英是大型高功率激光驱动系统中应用最普遍的光学材料，熔石英材料在光学系统中被广泛应用于制备透镜、窗口和屏蔽片等光学元件。熔石英元件在加工过程(抛光、研磨等)中会不可避免地引入杂质、划痕等表面及亚表面缺陷。当元件处于较高的强激光辐射下，这些缺陷将剧烈吸收激光能量，致使元件表面及材料内部发生一系列不可逆的、灾难性的激光诱导损伤，即当损伤点面积总和超过一定比例后，熔石英光学元件将视为彻底损坏而不能继续使用，这一状况的产生严重限制了元件在高能密度科学领域(例如ICF和高能光源等)的发展和应用。几十年来，人们通过不断探究激光脉冲与熔石英材料表面的相互作用机制，这些损伤前驱体已经被系统地明确和区分出来，主要包括：破碎性缺陷(亚表面划痕、微裂纹、坑洞等)、污染性缺陷(表面及嵌埋在亚表面的杂质污染)及化学结构缺陷(氧空位、非桥接氧等)。为了应对这些损伤前驱体对熔石英元件激光损伤性能的恶劣影响，人们积极研究于针对熔石英表面的各种处理方法。较为传统的方法主要关注如何控制缺陷生成，主要包括材料提纯、热处理、热锻造处理、精抛光、金刚石切削等。然而，尽管这些处理方法已做到极致，但仍不能彻底控制缺陷的生成。磁流变抛光、离子束抛光、HF刻蚀、反应离子刻蚀等方法是近年来新兴的表面处理方法，这些方法主要关注如何去除缺陷及抑制缺陷的再生。但是，上述关注去除缺陷的几种处理方法各有利弊，比如磁流变抛光是一种利用磁流变效应产生的高剪切应力来去除材料表面缺陷的方法，该方法虽然可以有效去除熔石英亚表面缺陷，但抛光过程中同样会次生金属杂质污染及研磨介质污染。离子束抛光是一种非化学反应的表面刻蚀处理方法，主要依靠等离子体中高能离子对材料表面的轰击作用来去除损伤前驱体。但由于该方法需要在极高的能量下才能实现材料表面的去除，因此会破坏晶格，损伤材料表面，且腔室和样品台上的金属物质极易被溅射到材料表面，造成二次污染。HF刻蚀是一种纯化学的表面刻蚀处理方法，可以有效剥离元件亚表面缺陷层，钝化暴露的结构性缺陷，大幅度提升元件损伤性能，该方法已在国内外得到广泛地认可和应用。然而为了最大幅度提升熔石英元件的损伤抗性，需要极大的材料去除量(刻蚀深度高达20μm)。由于湿法酸刻蚀的各向同性效应，亚表面层的划痕和坑洞等结构性缺陷会在几何尺度上被不断复制和延展，导致元件表面粗糙度增加，面形劣化。反应离子刻蚀(RIE)是一种物理轰击和化学刻蚀相结合的刻蚀过程，通过氟碳气体放电产生活性基团，与熔石英材料表面相互作用，各向异性地去除材料表面及亚表面缺陷，可以彻底去除上述结构性缺陷，大幅度提升熔石英元件的损伤抗性。但该方法可能引入金属杂质污染，次生较为活跃的化学结构缺陷层(下文统一称之为变质层)，且深刻蚀下也会导致粗糙度增加，限制了损伤性能的持续提升。上述方法中，有些方法刻蚀深度太深会导致元件表面的粗糙度增加，有些方法容易引入金属杂质污染，限制了光学元件的进一步性能提升，因此如何专利技术一种使得熔石英光学元件的综合性能较优的表面处理方法是本领域中亟待解决的技术问题。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种熔石英光学元件表面的处理方法，该方法操作步骤简便，操作条件温和，实现了以较低的材料去除量对熔石英光学元件表面进行处理，并使得处理后的熔石英光学元件不仅具有较高的损伤阈值，还具有较低的粗糙度，充分兼顾了光学元件损伤阈值与粗糙度两方面指标的控制，不会存在元件表面粗糙度增加、面型劣化等问题的发生，从根本上实现了提升熔石英光学元件抗损伤性能的目的，另外该处理方法可重复操作性强，原料易得，生产成本低，环境污染小，在熔石英光学元件表面处理方面提供了一种十分可行的操作路线，并在本领域中填补了相关技术空白，具有较强的借鉴应用意义，非常适于工业化扩大生产。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：本专利技术实施例提供了一种熔石英光学元件表面的处理方法，主要包括如下步骤：(A)对熔石英光学元件的表面进行反应离子刻蚀处理后，去离子水漂洗；(B)再采用HF-NH4F缓释溶液对熔石英光学元件的表面进行刻蚀处理，去离子水漂洗，即可。现有技术中，一般采用的是磁流变抛光、离子束抛光、HF刻蚀、反应离子刻蚀等方法来达到去除光学元件表面的缺陷以及抑制缺陷再生的目的，但是这些处理方法均存在一定的弊端，本身对光学元件的性能有影响，不能使得光学元件的性能达到最优。本专利技术为了解决上述技术问题特提供了一种熔石英光学元件表面的处理方法，先对熔石英光学元件的表面进行反应离子刻蚀(RIE)处理，去离子水漂洗后，再采用HF-NH4F缓释溶液对熔石英光学元件的表面进行刻蚀处理，最后再去离子水漂洗，即完成整个熔石英光学元件表面的处理，现有技术中有直接采用HF-NH4F缓释溶液对熔石英光学元件的表面进行刻蚀处理的相关记载，但是这种刻蚀处理方法本身属于湿法刻蚀，会各向同性地对所有接触到的表面进行刻蚀，因此，当表面及亚表面划痕、坑洞等结构性缺陷被暴露以后，HF酸不可能彻底去掉划痕、坑洞，更不可能平滑表面，而是把这些缺陷不断地往下复制和展宽。这就导致了经过这种方法处理过的材料表面会有很多被复制和展宽的缺陷残留，这些现象的产生并将导致熔石英表面粗糙度增加，产生面型恶化的问题。熔石英材料一般是在激光驱动装置中必须用到的元件，而且用量非常大，比如一束平行光照射过来需要使其聚焦，就需要用到熔石英透镜，如果熔石英表面不光洁平整，而是十分粗糙，面型不理想，那光照射过去聚焦效果就会很差，甚至会导致光路方向偏移。尤其是对于具有一定功能特性的熔石英元件，可能会因为表面粗糙和面型恶化的原因丧失原有的良好功能。另外，如果元件的表面过于粗糙还会影响到元件的抗损伤性能。可见对于熔石英光学元件表面的粗糙度控制显得尤为重要，现有技术中采用HF-NH4F缓释溶液进行刻蚀处理过的熔石英光学元件是无法克服该技术问题发生的。本专利技术通过将RIE处理与HF刻蚀处理相结合，可以以较低的材料去除量实现低粗糙度、高阈值的熔石英光学元件表面，这是因为RIE处理是一种干法刻蚀方法，可以通过该方法来达到前期彻底去除划痕、坑洞等结构性缺陷的目的，后续再进行HF刻蚀处理，就会在无划痕的基础上去除亚表面抛光层缺陷，在提升损伤阈值的同时，也不会导致粗糙度增加、面型恶化的结果。此外，如果单纯使用HF刻蚀处理本身是需要较大的材料去除量才能达到高阈值的目的，并且粗糙度也根本无法保证，但是本专利技术的方法则在保证很低的材料去除量前提下既可实现高阈值又能实现低粗糙度。可见本专利技术的方法是具有开拓性的意义的，现有技术中没有任何记载，本专利技术尚属首创。值得注意的在于，在进行具体操作时是需要严格按照本专利技术的操作步骤进行的(先RIE再HF刻蚀)，不能颠倒操作顺序，也不能遗漏任何一个操作步骤，原因在于RIE可能引入金属杂质污染，次生较为活跃的化学结构缺陷层(下文统一称之为变质层)，较强的化学活性会影响到光学元件的性能，而HF刻蚀正好可以实现钝化材料表面及去除变质层的目的，因此前面产生的变质层可以通过后续湿法刻蚀的方法来去除，从而完整的实施了本专利技术的技术方案，如果将两种方法颠倒那么变质层的问题无法解决，还是不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种熔石英光学元件表面的处理方法，其特征在于，主要包括如下步骤：(A)对熔石英光学元件的表面进行反应离子刻蚀处理后，去离子水漂洗；(B)再采用HF‑NH4F缓释溶液对熔石英光学元件的表面进行刻蚀处理，去离子水漂洗，即可。

【技术特征摘要】
1.一种熔石英光学元件表面的处理方法，其特征在于，主要包括如下步骤：(A)对熔石英光学元件的表面进行反应离子刻蚀处理后，去离子水漂洗；(B)再采用HF-NH4F缓释溶液对熔石英光学元件的表面进行刻蚀处理，去离子水漂洗，即可。2.根据权利要求1所述的一种熔石英光学元件表面的处理方法，其特征在于，所述步骤(A)中，反应离子刻蚀过程中，所采用的刻蚀气体为CHF3和Ar的混合气，两者之间的体积比控制在(0.3-0.8)：1之间，优选为(0.4-0.7)：1之间。3.根据权利要求1所述的一种熔石英光学元件表面的处理方法，其特征在于，所述步骤(A)中，反应离子刻蚀过程采用平板电极射频等离子体放电系统进行，射频功率控制在100-300W之间，射频偏压控制在800-900V之间，刻蚀深度控制在1.5-4.5μm/h之间；优选地，反应离子刻蚀过程中，对熔石英光学元件进行冷却处理，冷却的温度控制在20-30℃之间。4.根据权利要求1所述的一种熔石英光学元件表面的处理方法，其特征在于，所述步骤(A)中，在进行反应离子刻蚀之前，先采用N2对熔石英光学元件的表面进行吹扫；优选地，进行反应离子刻蚀之后，采用Ar对熔石英光学元件的表面进行吹扫。5.根据权利要求1所述的一种熔石英光学元件表面的处理方法，其特征在于，所述步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙来喜，黄进，蒋晓东，叶鑫，刘红婕，王凤蕊，耿峰，周晓燕，李青芝，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51