激光晶体等离子体改性刻蚀辅助抛光加工方法技术

本发明专利技术涉及一种激光晶体等离子体改性刻蚀辅助抛光加工方法，包括依次进行的预处理步骤、等离子体处理步骤、酸刻蚀步骤，抛光处理步骤。本发明专利技术方法避免了传统机械车、磨、抛加工过程，可能引入的加工缺陷及表面/亚表面损伤，显著改善倍半氧化物激光晶体的加工效率。可快速获得超光滑、低/无损伤、高精度的激光晶体表面。 1

【技术实现步骤摘要】
激光晶体等离子体改性刻蚀辅助抛光加工方法
本专利技术属于晶体材料的加工领域，具体讲，是针对激光晶体元件低、无损伤高表面完整性需求以及传统加工的低效去除率，提出采用等离子体改性刻蚀辅助抛光加工的新方法来实现激光晶体材料的高效、高精度、低损伤、超光滑表面加工。
技术介绍
随着制造业的快速发展，材料的加工的尺度已经从微米、纳米向原子尺度逼近。激光作为新兴的先进加工手段受到越来越广泛的关注，特别是激光制造的出现，更是对加工用激光器的性能提出了越来越高的要求。寻找光学性能优良的新型激光介质，从材料层面上提高激光器性能，对推进激光制造业的发展具有重大意义。激光晶体，特别是倍半氧化物激光晶体，因具有低声子能量(可有效抑制激光能级间的多声子无辐射驰豫，进而降低激光阈值，提高激光输出功率和效率)、高的热导率(不会导致晶格畸变、晶体开裂以及热导率下降等问题，保障了晶体质量)、高损伤阈值及适中的受激发射截面，是理想的激光晶体之一，获得越来越多的关注。Nd:YAG晶体是YAG激光的核心元件，其加工精度及加工质量是直接影响激光器的输出质量及元件的激光损伤阈值。此外，激光元器件形式多样，厚度可高达200μm，径厚比可高达(≥60)，刚度高，加工难度大。此类材料属于硬脆材料，其弹性极限与强度极限非常接近，当材料所承受的载荷稍稍超过弹性极限时就会发生断裂破坏，加工表面容易产生微裂纹和凹坑，严重影响其表面质量和性能。传统的切削、磨削及抛光工艺是加工激光晶体的主要方法，主要采用机械接触式去除材料，不可避免的损坏了晶体的表面质量及晶格完整性，引起了表面/亚表面损伤，导致表面产生残余应力，直接降低晶体的抗激光损伤阈值。非接触式的抛光方法是获得超光滑、无损伤晶体表面的主要途径。Namba等于1977年提出浮法抛光来实现包括熔石英、刚玉在内的多种光学材料的低表面粗糙度加工(RMS<0.1nm)，抛光剂采用胶态SiO2、GeO2及Al2O3，通过工件定轴旋转的动压力及工件与磨盘之间的含粒子液膜来实现材料去除，最终实现的RMS低于0.1nm。Mori等提出采用微细磨料粒子在流动液体的带动下撞击工件来实现工件表面原子级去除，可获得0.1nm的超光滑表面。离子束抛光通过惰性气体离子束流轰击工件表面来去除材料，可获得RMS0.6nm。磁流变抛光(MRF)最早由白俄罗斯学者Kordonski在20世纪80年代末提出，通过磁场控制磁性流体粘性，进而控制工件表面的剪切去除。然而，上述几种方法加工效率低。等离子体化学蒸发加工的加工效率接近接触式加工方法，它利用等离子体来激发反应气体中的活性粒子使其与工件表面原子发生化学反应,将之转变为挥发性产物,最后通过气体蒸发实现表面材料加工，可实现单晶碳化硅的RMS0.37nm。国内自上世纪80年代我国开展了超光滑表面的加工研究，先后开展了气囊抛光、磁射流抛光、磁流变抛光、离子束抛光及大气等离子抛光等。大气等离子化学蒸发抛光主要用于硅基硬脆材料，抛光效率较高，但受限于被加工材料是否能够转变为挥发性产物。倍半氧化物激光晶体(粉末)难溶于水和碱，但可与无机酸反应生成盐。然而，倍半氧化物激光晶体与酸的反应速度较慢，即使在王水中，材料去除速率仍很低。此外，晶体材料具有各向异性，会影响不同位置材料的去除速率。目前对倍半氧化物激光晶体超精密加工技术的研究还未见报道。而Nd:YAG是自然界中仅次于金刚石、立方氮化硼的第三大硬脆材料,其研磨、抛光更加困难,且极易形成表面和亚表面损伤。现有的各种工艺方法还无法完全解决板条YAG晶体元件高面形精度与高表面光洁度之间的矛盾，实现该类元件高精度、高效率和低缺陷的加工制造仍比较困难。此外，激光晶体材料化学性质各异，很难形成气态化合物，导致等离子体化学蒸发加工方法难以实现。
技术实现思路
为满足高性能激光晶体元件的使用要求，提高激光晶体的损伤阈值，需加工出超光滑、无缺陷、低损伤的高面形精度晶体表面。针对此类难加工激光晶体，本专利技术提出一种具有一般意义等离子体改性刻蚀辅助抛光加工激光晶体的新方法。实现本专利技术目的技术方案为：一种激光晶体等离子体改性刻蚀辅助抛光加工方法，包括依次进行的预处理步骤、等离子体处理步骤、酸刻蚀步骤，抛光处理步骤。而且，所述的预处理步骤包括依次进行的粗磨、精磨、机械抛光处理。而且，所述的等离子体处理步骤是采用等离子体气体H2+反应气体He，在大气环境下，使用介质阻挡放电激发产生的含氢等离子体，H2与He的体积比1:100～1:500；或采用气体He通入水后出来的反应气体，水与He的体积比为1:49～1:500。而且，所述的酸刻蚀步骤是在等离子体处理后的晶体表面喷涂强酸气体，生成反应物为溶于水的盐，反应后先换气将处理气体排净，再在晶体表面喷水去除溶于水的盐。而且，所述的强酸气体为HF或HCl或HNO3或HBr。而且，在酸刻蚀步骤后依次用去离子水、碱液、去离子水清洗至晶体表面为中性。而且，所述的碱液为1％的碳酸氢钠溶液。而且，所述的抛光处理方式采用机械抛光或磁流变抛光或CMP抛光。而且，所述的机械抛光处理的步骤为：先使用W0.3～1金刚石抛光膏抛光5～10min，再使用W0.05～0.1的二氧化铈抛光膏抛光30～60min。(1)激光晶体物理及化学性质的表征与分析：分析和表征激光晶体材料的物理化学性质及其可形成的化合物基本组分，初步分析晶体材料可被改性的可行性及其表面化学刻蚀的可行性。(2)等离子体辅助表面处理：根据激光晶体材料的物理化学性质及其可形成的化合物基本组分，分析刻蚀气体的成分；通过实验，表征及分析刻蚀加工的有效性。(3)激光晶体表面刻蚀根据激光晶体被处理表面的化学物理性质，配置恰当的刻蚀剂，分析被刻蚀激光晶体的表面形貌、表面光洁度及材料去除速率等。(4)激光晶体表面抛光根据激光晶体表面刻蚀加工后粗糙度的微量损失，选取恰当的抛光方法及工艺参数，通过表面抛光去除酸刻蚀带来的粗糙度损失。利用开发的加工系统，分析子口径等离子体辅助刻蚀加工条件下，等离子体改性及刻蚀处理工艺参数对刻蚀加工表面形貌的影响，保证激光晶体面型精度；通过表面抛光去除酸刻蚀带来的粗糙度损失，最终形成高效、高精度、低/无损伤加工工艺。本专利技术的优点和有益效果1、本专利技术依据激光晶体材料的物理、化学性质，提供了一种高效、低损伤、高精度的激光晶体元件超光滑表面加工新方法。此方法避免了传统机械车、磨、抛加工过程，可能引入的加工缺陷及表面/亚表面损伤，显著改善倍半氧化物激光晶体的加工效率。2、本专利技术采用化学反应刻蚀的方法，没有引入机械作用，不会引入残余应力，所获得晶体表面无损伤，且可以实现材料原子级去除。通过子口径表面处理、刻蚀及原位测量，可以有效实现薄片激光晶体的快速去除加工。3、本专利技术通过微量抛光去除酸刻蚀带来的粗糙度损失，并避免低速率修正过程，进一步提升加工速率，并且此抛光过程可以根据晶体表面的具体需求选择抛光方式，最终快速获得超光滑、低/无损伤、高精度的激光晶体表面。4、本专利技术所提出的方法，不但可以应用于平面加工，也可以应用于曲面加工。5、本专利技术方法不仅可用于加工倍半氧化物激光晶体，还可用于加工其他同类脆性材料。6、采用He通入水后激发的含H等离子体，去离子水储存方便、使用安全；直接使用氢气混合激发产本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光晶体等离子体改性刻蚀辅助抛光加工方法，其特征在于：包括依次进行的

【技术特征摘要】
1.一种激光晶体等离子体改性刻蚀辅助抛光加工方法，其特征在于：包括依次进行的预处理步骤、等离子体处理步骤、酸刻蚀步骤，抛光处理步骤。2.根据权利要求1所述的激光晶体等离子体改性刻蚀辅助抛光加工方法，其特征在于：所述的预处理步骤包括依次进行的粗磨、精磨、机械抛光处理。3.根据权利要求1所述的激光晶体等离子体改性刻蚀辅助抛光加工方法，其特征在于：所述的等离子体处理步骤是采用等离子体气体H2+反应气体He，在大气环境下，使用介质阻挡放电激发产生的含氢等离子体，H2与He的体积比1:100～1:500；或采用气体He通入水后出来的反应气体，水与He的体积比为1:49～1:500。4.根据权利要求1所述的激光晶体等离子体改性刻蚀辅助抛光加工方法，其特征在于：所述的酸刻蚀步骤是在等离子体处理后的晶体表面喷涂强酸气体，生成反应物为溶于水的盐，反应后先换气将处理气体排净，再在晶体表面喷水去除溶于水...

【专利技术属性】
技术研发人员：房丰洲，吕鹏，张巨帆，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12