CN107247300A - 激光制备熔石英连续相位板的方法 - Google Patents

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蒋岚
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栾晓雨
王海军
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Abstract

本发明涉及光学领域。本发明提供了一种激光制备熔石英连续相位板的方法，用于获得更小的去除函数尺寸来满足更精细化的焦斑均匀性控制要求，其技术方案可概括为：首先对激光束进行聚焦，然后设置激光器输出功率参数及扫描振镜扫描速度，并设定扫描振镜扫描路径参数，再将熔石英元件置于激光束的焦点处，通过激光辐照熔石英元件表面，改变熔石英元件扫描区域的假想温度分布，使之与设定的连续相位板空间结构相对应，得到激光辐照元件，最后通过兆声波辅助氢氟酸刻蚀工艺，对其进行刻蚀，使之呈现出假想温度调控区域轮廓，得到熔石英连续相位板。本发明的有益效果是：提高加工效率，适用于熔石英连续相位板的加工。

Description

激光制备熔石英连续相位板的方法
技术领域
本发明涉及光学技术，特别涉及激光制备熔石英连续相位板的技术。
背景技术
以惯性约束聚变(ICF，Inertial Confinement Fusion)研究为牵引，近年来高功率激光装置研制工作蓬勃发展，美国的国家点火装置(NIF)、法国的兆焦耳装置(LMJ)、中国的SG-III装置等大规模高功率固体激光装置的设计与建造为实现实验室聚变点火、建造聚变能电站提供了可能，在ICF物理实验过程中，提高激光能量利用率，实现靶面光强的主动控制以满足不同物理实验对焦斑强度分布的不同要求具有极为重要的意义，在过去的几十年里已经发展出了多种束匀滑技术，连续相位板(Continuous Phase Plates，CPP)作为一类用于光束匀滑控制的光学元件，凭借其较高的能量利用率以及良好的焦斑形态控制能力等特点在ICF激光装置中得到广泛应用。连续相位板的相位结构可以再0～2π范围内任意连续取值，避免了非连续相位板中台阶式结构带来的散射及强度调制影响，使激光衍射效率达到95％以上，然而，由于通常所设计CPP具有小周期、大梯度的类自由曲面结构，给其设计、加工以及检测都带来了很大的困难。
目前，连续相位板主要是利用磁流变抛光技术或数控化学抛光技术加工，然而，磁流变抛光技术成本高，并且由于磁流变液体本身含有金属成分，在抛光过程中会引入含金属离子成分的抛光沉积层，这对元件的抗损伤性能会带来一定的负面影响，进而还需要多种工艺互相结合以提升该加工元件抗损伤能力，进而达到最佳加工效果；数控化学抛光技术利用氢氟酸缓冲液和Marangoni效应的结合可以通过表面张力梯度来显示局域刻蚀，但由于加工效率较低致使其在工程化应用中受阻。同时，最小空间周期作为连续相位板设计和加工过程中的重要特征参数，在CPP设计过程中限制了频谱范围，最小空间周期越小，CPP设计自由度越大，这有利于提高CPP设计性能，为了保证元件加工质量，研究表明设计最小空间周期通常应大于加工去除函数的1.5倍。目前，磁流变抛光与数控化学抛光技术在CPP加工过程中可控最小去除函数均在毫米量级。
因此，为了在工程化应用过程中实现更好的光束匀滑效果，在确保元件表面加工质量的前提下，探索新的CPP加工技术，提高元件加工效率，并获得更小去除函数尺寸以实现精细化加工已成为当务之急。
发明内容
本发明的目的就是提供一种激光制备熔石英连续相位板的方法，用于获得更小的去除函数尺寸来满足更精细化的焦斑均匀性控制要求。
本发明为解决其技术问题，采用的技术方案是，激光制备熔石英连续相位板的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对激光器输出的经过扫描振镜反射后的激光束进行聚焦；
步骤2、设置激光器输出功率参数及扫描振镜扫描速度，并设定扫描振镜扫描路径参数；
步骤3、将欲制备熔石英连续相位板的熔石英元件置于激光束的焦点处，通过激光辐照熔石英元件表面，改变熔石英元件扫描区域的假想温度分布，使之与设定的连续相位板空间结构相对应，得到激光辐照元件；
步骤4、通过兆声波辅助氢氟酸刻蚀工艺，对所得到的激光辐照元件进行刻蚀，使之呈现出假想温度调控区域轮廓，得到熔石英连续相位板。
具体的，还包括以下步骤：
步骤5、利用超声清洗，去除熔石英连续相位板表面刻蚀时残留的酸液及所生成的化合物，得到表面洁净的熔石英连续相位板。
进一步的，步骤1包括以下步骤：
步骤101、对激光器输出的激光束进行扩束；
步骤102、对扩束后且经过扫描振镜反射后的激光束进行聚焦。
再进一步的，步骤1中，所述聚焦是指：通过扫描场镜对激光束进行聚焦。
具体的，步骤1中，所述激光器为CO2激光器。
再进一步的，步骤2中，所述设置扫描振镜扫描路径参数时，还设置扫描线程次数。
具体的，步骤2中，所述设置激光器输出功率参数及扫描振镜扫描速度时，所设置的激光器输出功率参数及扫描振镜扫描速度相匹配，从而改变单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸。
再进一步的，步骤2中，所述设置的激光器输出功率参数及扫描振镜扫描速度相匹配是指：若激光器输出功率参数为一固定值，则在确保能够改变熔石英元件初始假想温度的前提下，扫描振镜扫描速度越高，则单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸越小，否则单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸越大；若扫描振镜扫描速度为一固定值，则在确保能够改变熔石英元件初始假想温度的前提下，激光器输出功率参数越低，则单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸越小，否则单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸越大。
具体的，步骤2中，所述设置扫描振镜扫描路径参数中，设定一定的扫描路径曲线间隔，避免由于前一扫描路径曲线对熔石英元件热力学温度分布的影响对下一扫描路径曲线的假想温度变化产生不可控的影响。
本发明的有益效果是，通过上述激光制备熔石英连续相位板的方法，可以在扫描振镜扫描速度允许的情况下，最大限度的利用扫描振镜快速扫描的优势，极大的提高熔石英连续相位板的加工效率；同时，激光辐照改性结合兆声波辅助氢氟酸刻蚀工艺，有效避免了抛光沉积层的形成以及杂质离子的引入，有效提高了熔石英连续相位板的损伤阈值；且由于可设置扫描线程数量，在最终所需熔石英连续相位板加工尺寸固定的情况下，通过增加扫描线程，可同步缩小单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸，而缩小单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸的方法可以通过调节激光功率、焦斑尺寸或扫描速度来减小最小去除函数，进而使熔石英连续相位板的最小去除函数可以控制在几十微米～毫米量级，从而提高熔石英连续相位板加工过程中最小空间周期的设计自由度，满足更精细化的焦斑均匀性控制要求；且上述方案工艺流程简单，可操作性强，设备搭建及维护保养成本较低，对于工程化应用具有广阔前景。
具体实施方式
下面结合实施例，详细描述本发明的技术方案。
本发明所述的激光制备熔石英连续相位板的方法为：首先对激光器输出的经过扫描振镜反射后的激光束进行聚焦，然后设置激光器输出功率参数及扫描振镜扫描速度，并设定扫描振镜扫描路径参数，再将欲制备熔石英连续相位板的熔石英元件置于激光束的焦点处，通过激光辐照熔石英元件表面，改变熔石英元件扫描区域的假想温度分布，使之与设定的连续相位板空间结构相对应，得到激光辐照元件，最后通过兆声波辅助氢氟酸刻蚀工艺，对所得到的激光辐照元件进行刻蚀，使之呈现出假想温度调控区域轮廓，得到熔石英连续相位板。
实施例
本发明实施例中的激光制备熔石英连续相位板的方法，包括以下步骤：
步骤1、对激光器输出的经过扫描振镜反射后的激光束进行聚焦。
本步骤可以包括以下步骤：
步骤101、对激光器输出的激光束进行扩束；
步骤102、步骤102、对扩束后且经过扫描振镜反射后的激光束进行聚焦。
这里，对激光器输出的激光束进行扩束的原因是为了得到更好的聚焦光斑形貌及尺寸控制率。激光器可以为CO2激光器等。聚焦可以是指：通过扫描场镜对激光束进行聚焦。
步骤2、设置激光器输出功率参数及扫描振镜扫描速度，并设定扫描振镜扫描路径参数。
本步骤中，设置扫描振镜扫描路径参数时，还可以设置扫描线程次数，其目的在于采用多个扫描线程，逐步达到所需要激光辐照元件，进而实现精细化控制。
而改变了扫描线程次数后，则需要对单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸进行相应改变，其改变方法为：设置激光器输出功率参数及扫描振镜扫描速度时，所设置的激光器输出功率参数及扫描振镜扫描速度相匹配，从而改变单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸。这里，设置的激光器输出功率参数及扫描振镜扫描速度相匹配是指：若激光器输出功率参数为一固定值，则在确保能够改变熔石英元件初始假想温度的前提下，扫描振镜扫描速度越高，则单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸越小，否则单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸越大；若扫描振镜扫描速度为一固定值，则在确保能够改变熔石英元件初始假想温度的前提下，激光器输出功率参数越低，则单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸越小，否则单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸越大。
而在设置扫描振镜扫描路径参数中，设定一定的扫描路径曲线间隔，避免由于前一扫描路径曲线对熔石英元件热力学温度分布的影响对下一扫描路径曲线的假想温度变化产生不可控的影响。
步骤3、将欲制备熔石英连续相位板的熔石英元件置于激光束的焦点处，通过激光辐照熔石英元件表面，改变熔石英元件扫描区域的假想温度分布，使之与设定的连续相位板空间结构相对应，得到激光辐照元件。
步骤4、通过兆声波辅助氢氟酸刻蚀工艺，对所得到的激光辐照元件进行刻蚀，使之呈现出假想温度调控区域轮廓，得到熔石英连续相位板。
本步骤中，由于不同假想温度下熔石英材料的氢氟酸刻蚀速率不同，因此采用通过兆声波辅助氢氟酸刻蚀工艺对所得到的激光辐照元件进行刻蚀，使之呈现出假想温度调控区域轮廓，从而得到熔石英连续相位板。
这里，通过兆声波辅助氢氟酸刻蚀工艺为现有技术中的成熟技术，可参见T.l.Suratwala,P.E.Miller,J.D.Bude,R.A.Steele,N.Shen,M.V.Monticelli,M.D.Feit,T.A.Laurence,M.A.Norton,C.W.Carr,L.L.Wong,《HF-based etching processes forimproving laser damage resistance of fused silica optical surfaces》March5,2010，Journal of the American Ceramic Society，此处不再详述。
还可以包括以下步骤：
步骤5、利用超声清洗，去除熔石英连续相位板表面刻蚀时残留的酸液及所生成的化合物，得到表面洁净的熔石英连续相位板。
上述方案中，所采用的设备均为现有技术中的相关设备，如激光器、扫描振镜等，实现扩束可采用扩束镜等，也可将熔石英元件置于二维平移台等活动台面上，以实现其定位(相对于步骤3中的将欲制备熔石英连续相位板的熔石英元件置于激光束的焦点处)，而激光器、扫描振镜及二维平移台等均可通过一台计算机等控制设备进行相应控制及设置，由于这些均为现有技术中的常用技术，此处不再详述。
尽管本发明的内容已经通过上述优选的实施方案作了详细介绍，但应当认识到上述介绍不应被认为是对本发明的限制。当具有专业知识和技能的人员在阅读了上述内容后，对本发明的多种修改、代替和规避都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.激光制备熔石英连续相位板的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对激光器输出的经过扫描振镜反射后的激光束进行聚焦；
步骤2、设置激光器输出功率参数及扫描振镜扫描速度，并设定扫描振镜扫描路径参数；
步骤3、将欲制备熔石英连续相位板的熔石英元件置于激光束的焦点处，通过激光辐照熔石英元件表面，改变熔石英元件扫描区域的假想温度分布，使之与设定的连续相位板空间结构相对应，得到激光辐照元件；
步骤4、通过兆声波辅助氢氟酸刻蚀工艺，对所得到的激光辐照元件进行刻蚀，使之呈现出假想温度调控区域轮廓，得到熔石英连续相位板。
2.如权利要求1所述的激光制备熔石英连续相位板的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤5、利用超声清洗，去除熔石英连续相位板表面刻蚀时残留的酸液及所生成的化合物，得到表面洁净的熔石英连续相位板。
3.如权利要求1所述的激光制备熔石英连续相位板的方法，其特征在于，步骤1包括以下步骤：
步骤101、对激光器输出的激光束进行扩束；
步骤102、对扩束后且经过扫描振镜反射后的激光束进行聚焦。
4.如权利要求1所述的激光制备熔石英连续相位板的方法，其特征在于，步骤1中，所述聚焦是指：通过扫描场镜对激光束进行聚焦。
5.如权利要求1所述的激光制备熔石英连续相位板的方法，其特征在于，步骤1中，所述激光器为CO2激光器。
6.如权利要求1-5任一项所述的激光制备熔石英连续相位板的方法，其特征在于，步骤2中，所述设置扫描振镜扫描路径参数时，还设置扫描线程次数。
7.如权利要求6所述的激光制备熔石英连续相位板的方法，其特征在于，步骤2中，所述设置激光器输出功率参数及扫描振镜扫描速度时，所设置的激光器输出功率参数及扫描振镜扫描速度相匹配，从而改变单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸。
8.如权利要求7所述的激光制备熔石英连续相位板的方法，其特征在于，步骤2中，所述设置的激光器输出功率参数及扫描振镜扫描速度相匹配是指：若激光器输出功率参数为一固定值，则在确保能够改变熔石英元件初始假想温度的前提下，扫描振镜扫描速度越高，则单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸越小，否则单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸越大；若扫描振镜扫描速度为一固定值，则在确保能够改变熔石英元件初始假想温度的前提下，激光器输出功率参数越低，则单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸越小，否则单线程扫描时得到的激光辐照区域改性区尺寸越大。
9.如权利要求1-5任一项所述的激光制备熔石英连续相位板的方法，其特征在于，设定一定的扫描路径曲线间隔，避免由于前一扫描路径曲线对熔石英元件热力学温度分布的影响对下一扫描路径曲线的假想温度变化产生不可控的影响。
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