一种光学材料亚表面裂纹深度的检测方法技术

本发明专利技术公开了一种光学材料亚表面裂纹深度的检测方法，该方法的步骤为：采用角度法将磨粒加工的试样表面抛光出一个小角度斜面，利用特定蚀刻液腐蚀该试样表面和斜面，确保去除表面抛光沉积层；利用激光共聚焦显微镜对角度抛光后的试样进行三维扫描，得到试样裂纹层的三维层析结构；将裂纹层的三维结构转化为二维图形进行数据处理，最终得到被测材料的亚表面裂纹深度。本发明专利技术利用激光共聚焦显微技术克服目前角度抛光法检测亚表面裂纹深度的缺陷，提供一种高效、高精度、便捷的光学材料亚表面裂纹深度的检测方法。

【技术实现步骤摘要】
一种光学材料亚表面裂纹深度的检测方法
本专利技术涉及一种光学材料亚表面裂纹深度的检测方法，具体涉及一种光学材料磨粒加工后亚表面裂纹深度的检测方法。
技术介绍
光学材料磨粒加工引起的亚表面裂纹通过降低激光损伤阈值和力学性能降低光学元件的使用稳定性和寿命。因此，准确高效地检测光学材料的亚表面裂纹深度就成为优化加工工艺和去除损伤层的关键。目前，光学材料的亚表面损伤检测方法主要分为两大类：无损伤检测方法和损伤性检测方法。无损伤检测方法是利用声、光、热等物理原理检测损伤层与基体导出物理量的差异，以此定量评估材料完整性的方法。例如，激光共聚焦显微技术、荧光共聚焦显微技术、全内反射显微技术、超声扫描显微技术和光热显微技术等。该类技术检测效率较高且不损伤工件，但由于检测机理模型尚未明确，且受干扰因素较多，导致检测精度较低，通常用于损伤较严重情况下的元件完整性检测。损伤性检测技术则是通过局部或全部破坏材料使表层损伤暴露，进而采用显微观测手段获得损伤信息的方法。主要包括：角度抛光法、截面显微法、磁流变抛光法和化学蚀刻法等。损伤性检测技术由于其检测成本较低、精度较高且获得损伤信息丰富，因此广泛应用于光学材料的亚表面损伤检测。上述检测方法中，激光共聚焦显微技术通过对试样损伤层逐点扫描形成被测对象的损伤层三维层析结构，但其检测精度受到损失层折射率变化、表面粗糙度和探测孔径大小影响较大。因此，当表面粗糙度或损伤层深度较大时，采用该方法直接检测试样损伤层结构可能导致测得的误差较大。角度抛光法是一种常用的亚表面裂纹深度检测方法，其原理是是将亚表面损伤信息用一个小角度的斜面放大并暴露出来，通过测量裂纹损伤在斜面上的长度和斜面与表面夹角，计算得到亚表面裂纹深度。然而，普通光学显微镜的水平微动平台难以直接检测裂纹损伤在斜面上的长度。因此，该方法通常须采用超精密三维形貌仪扫描斜面得到轮廓线，以扫描轮廓线和微动平台的水平移动距离共同确定亚表面裂纹深度(参考文献：朱楠楠，朱永伟，李军等.铌酸锂晶体的研磨亚表面损伤深度研究[J].光学精密工程，2015，23(12)：3387-3394.)。其中，扫描轮廓线性和微动平台的水平移动距离须采用同一个基准，势必会降低检测效率和检测精度。同时，该方法须要用到两种高精度的检测设备：光学显微镜和超精密三维形貌仪，增加了检测成本。由此可见，仅选用上述两种方法中的任一种都不足以准确高效地检测光学材料亚表面裂纹深度。
技术实现思路
本专利技术的目的是利用激光共聚焦显微技术克服目前角度抛光法检测亚表面裂纹深度的缺陷，提供一种高效、高精度、便捷的光学材料亚表面裂纹深度的检测方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种光学材料亚表面裂纹深度的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)角度抛光：将磨粒加工的试样表面抛光出一个小角度斜面，然后利用特定蚀刻液腐蚀试样表面和斜面，确保去除表面抛光沉积层，接着进行超声清洗和真空干燥处理；(2)三维扫描：采用激光共聚焦显微镜对角度抛光后的试样进行三维扫描，得到试样裂纹层的三维层析结构；(3)数据处理：将裂纹层的三维结构沿斜面方向划分成n个二维截面，定义试样表面的高度为Z0，第i个二维截面中，沿斜面方向裂纹消失处的高度为Zi，由此可获得，亚表面裂纹最大深度为亚表面裂纹群集深度为步骤(1)中，所述的小角度斜面为与表面夹角为3°～10°的斜面；所述特定蚀刻液为HF酸或其他能对光学材料进行蚀刻的腐蚀液。本专利技术的有益效果是：(1)仅采用一种非接触式检测手段就完成亚表面裂纹深度的检测，与现有的角度抛光法(光学显微镜和三维轮廓仪相结合的检测方法)相比，提高了检测效率；(2)本专利技术中，激光共聚焦显微主要用于观测抛光斜面上裂纹消失处附近的损伤结构，避免了现有激光共聚焦显微技术直接检测亚表面裂纹方法中干扰检测精度的因素；(3)能够用于透明材料和非透明材料的亚表面裂纹深度检测。附图说明下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步描述：图1为本专利技术实施例中一种光学材料亚表面裂纹深度检测流程示意图；图2为本专利技术实施例中将裂纹层三维结构划分成二维截面的示意图；图3为本专利技术实施例1中提取出的二维截面中亚表面裂纹分布示意图；图4为本专利技术实施例2中抛光得到的斜面中亚表面裂纹分布示意图。具体实施方式以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。实施例1磨粒加工后的K9玻璃的亚表面裂纹深度检测方法，该方法检测流程如图1所示，包括以下步骤：(1)角度抛光：将待测的K9玻璃试样粘接在角度抛光夹具上，放入双轴研抛机分别采用粒度为W1的金刚石微粉和粒径为0.5μm的氧化铈抛光液进行研磨和抛光，所述角度抛光夹具的设计角度为6°；研磨抛光后试样放入1％HF溶液中蚀刻5min，取出进行超声清洗，然后放入真空干燥箱烘干；(2)三维扫描：选用奥林巴斯的OLS4500激光共聚焦显微镜(Z向分辨力10nm)对角度抛光后的试样进行三维层析扫描，获得裂纹层的三维结构；(3)数据处理：将裂纹层的三维结构沿斜面方向划分成n个二维截面，划分方法如图2所示，获得的二维截面中亚表面裂纹分布如图3所示，定义试样表面的高度为Z0，第i个二维图形中沿斜面方向裂纹消失处的高度为Zi，由此可获得，亚表面裂纹最大深度为亚表面裂纹群集深度为本实施例中，裂纹消失处附近区域的裂纹深度较小，且表面粗糙度较小，激光共聚焦显微镜检测该位置的结构受干扰因素较少，因此可以获得较高的检测精度。实施例2磨粒加工后的Si晶片的亚表面裂纹深度检测方法，该方法检测流程如图1所示，包括以下步骤：(1)角度抛光：将待测的Si晶片试样粘接在角度抛光夹具上，放入双轴研抛机进行研磨和化学机械抛光，所述角度抛光夹具的设计角度为6°；研磨抛光后试样放入“杨氏”溶液中蚀刻30s，取出进行超声清洗，然后放入真空干燥箱烘干；(2)三维扫描：选用奥林巴斯的OLS4500激光共聚焦显微镜(Z向分辨力10nm)对角度抛光后的试样进行三维层析扫描，获得裂纹层的三维结构；(3)数据处理：由于被测对象为非透明材料，采用三维扫描可以直接获得斜面的三维形貌，获得的斜面中亚表面裂纹分布如图4所示，定义试样表面的高度为Z0，第i条裂纹的消失处高度为Zi，沿斜面方向最长裂纹消失处的高度为Zmax，由此可获得，亚表面裂纹最大深度为|Zmax-Z0|，亚表面裂纹群集深度为其中，n为斜面上统计的裂纹数量。本实施例中的检测对象为非透明材料，检测得到的裂纹层三维结构为斜面的三维表面形貌，因此，所述检测方法不但可以获得亚表面裂纹的最大深度和群集深度，也可以获得亚表面裂纹沿深度的密度分布。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学材料亚表面裂纹深度的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)角度抛光：将磨粒加工的试样表面抛光出一个小角度斜面，然后利用特定蚀刻液腐蚀试样表面和斜面，确保去除表面抛光沉积层，接着进行超声清洗和真空干燥处理；(2)三维扫描：采用激光共聚焦显微镜对角度抛光后的试样进行三维扫描，得到试样裂纹层的三维层析结构；(3)数据处理：将裂纹层的三维结构沿斜面方向划分成n个二维截面，定义试样表面的高度为Z0，第i个二维截面中，沿斜面方向裂纹消失处的高度为Zi，由此可获得，亚表面裂纹最大深度为

【技术特征摘要】
1.一种光学材料亚表面裂纹深度的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)角度抛光：将磨粒加工的试样表面抛光出一个小角度斜面，然后利用特定蚀刻液腐蚀试样表面和斜面，确保去除表面抛光沉积层，接着进行超声清洗和真空干燥处理；(2)三维扫描：采用激光共聚焦显微镜对角度抛光后的试样进行三维扫描，得到试样裂纹层的三维层析结构；(3)数据处理：将裂纹层的三维结构沿斜面方向划分成n个二维截面，定义试样表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：王华东，黄平，何力钧，庞佩，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33