CN112794655A - 用于小尺度损伤缺陷的熔石英元件纳米精度保形修复方法 - Google Patents

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宋辞
邓明杰
石峰
张耀飞
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Abstract

本发明公开了一种用于小尺度损伤缺陷的熔石英元件纳米精度保形修复方法，本发明包括使用磁流变技术对损伤样件均匀去除指定深度；针对磁流变技术加工后的损伤样件使用CCOS小磨头技术粗抛光进行修形；判断损伤样件上的小损伤点是否完全修复，若尚未完全修复，则返回继续进行迭代加工，否则对损伤样件使用磁流变技术和CCOS小磨头技术进行精修以消除CCOS小磨头技术粗抛光过程中产生的划痕并提高面形精度。本发明将该磁流变与CCOS小磨头的组合工艺首次开创性地用于小尺寸损伤缺陷的保形修复，可有效地去除小尺寸损伤缺陷，并保持样件的面形精度，两种技术结合可有效修复小损伤缺陷。

Description

用于小尺度损伤缺陷的熔石英元件纳米精度保形修复方法
技术领域
本发明属于光学材料与光学元件技术领域，具体涉及一种用于小尺度损伤缺陷的熔石英元件纳米精度保形修复方法。
背景技术
随着我国惯性约束聚变装置和高能激光武器迅速发展，我们对强光元件的需求量也日益增加，当前，关于对熔石英强光元件的使用主要有以下问题：一是需求高，但制造能力低，无法完全满足需求，甚至还有很大的差距；二是尽管熔石英强光元件的加工工艺不断改进，但元件上架运行后，在高通量激光辐照下仍不可避免地会产生损伤，如果元件的初始损伤一旦发生，材料的力学、光学、热学等性能被弱化，在后续的激光辐照下损伤缺陷的横向尺寸和深度都将迅速增长。根据NIF的标准，当元件上的损伤导致挡光面积占整个通光区域的3％时，即认为该光学元件达到使用寿命，必须进行更换处理；三是损伤的存在对整个***的影响很大，它不仅会降低光束质量，还会对下游的元件造成损伤，形成一个恶性循环。因此，为提升元件使用寿命，保证整个***稳定运行，对于损伤的修复或者抑制损伤缺陷增长的研究就至关重要。
目前针对熔石英元件表面损伤修复的方法有很多，其中以CO2激光修复技术最为有效可靠，并得到了广泛的研究和发展。公布号为CN 105948519的中国专利文献中公开了一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，其中提到了使用飞秒激光对熔石英表面损伤缺陷进行无热效应修复，极大减少了熔石英在激光修复后产生的热应力致变形，提升了修复后的表面质量。但是该方法在实际应用过程中主要是针对大尺寸的损伤缺陷，并且是单点逐个修复，修复后该点的光学性能失效，对于大量的小尺寸损伤缺陷，若采用此方法，将极大地增加修复成本和修复时间，无法在实际修复过程中得到应用。研究表明横向尺寸小于50μm的损伤缺陷在后续激光辐照下增长的概率依旧很高，因此大量小尺寸损伤缺陷的存在也将严重限制熔石英元件的使用寿命，如何有效快速地修复熔石英光学元件表面的小损伤缺陷，抑制其生长为大的损伤坑成为提高熔石英元件修复能力的关键环节。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种用于小尺度损伤缺陷的熔石英元件纳米精度保形修复方法，本发明将该磁流变与CCOS小磨头的组合工艺首次开创性地用于小尺寸损伤缺陷的保形修复，使用磁流变与CCOS小磨头的组合技术可以有效地去除小尺寸损伤缺陷，并保持样件的面形精度，磁流变技术可以有效去除小损伤缺陷，但与此同时不可避免会带来损伤缺陷拖尾效应和面形恶化，CCOS小磨头技术可以对恶化表面进行修形，去除磁流变引入的拖尾，两种技术结合可以有效修复小损伤缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种用于小尺度损伤缺陷的熔石英元件纳米精度保形修复方法，包括：
1)使用磁流变技术对损伤样件均匀去除指定深度；
2)针对磁流变技术加工后的损伤样件使用CCOS小磨头技术粗抛光进行修形；
3)判断损伤样件上的小损伤点是否完全修复，若尚未完全修复，则跳转执行步骤1)继续进行迭代加工，否则跳转执行下一步；
4)对损伤样件使用磁流变技术和CCOS小磨头技术进行精修以消除CCOS小磨头技术粗抛光过程中产生的划痕并提高面形精度。
可选地，步骤1)中的指定深度为4μm。
可选地，步骤2)中使用CCOS小磨头技术粗抛光时，去除深度为700nm。
可选地，步骤4)中对损伤样件使用磁流变技术和CCOS小磨头技术进行精修包括：首先对损伤样件使用磁流变技术进行精修形，然后使用CCOS小磨头技术精抛光。
可选地，所述使用CCOS小磨头技术精抛光时，去除深度为200nm。
可选地，步骤4)中对损伤样件使用磁流变技术和CCOS小磨头技术进行精修的结束条件为使损伤样件的表面粗糙度优于1nm。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：目前主流的修复方法都是针对几十甚至上百微米的损伤缺陷进行修复，但是研究表明50微米以下的小尺度损伤缺陷在强光辐照下仍有很大概率出现生长，50μm以下的小损伤缺陷同样会对熔石英的激光损伤阈值造成影响，因此针对小尺寸损伤缺陷进行修复是很有必要的工作。目前关于磁流变与CCOS小磨头的组合工艺已经有较多的研究，但是这些技术都是用于大尺寸损伤缺陷。本发明将该磁流变与CCOS小磨头的组合工艺首次开创性地用于小尺寸损伤缺陷(50微米以下)的保形修复，使用磁流变与CCOS小磨头的组合技术可以有效地去除小尺寸损伤缺陷，并保持样件的面形精度，磁流变技术可以有效去除小损伤缺陷，但与此同时不可避免会带来损伤缺陷拖尾效应和面形恶化，CCOS小磨头技术可以对恶化表面进行修形，去除磁流变引入的拖尾，两种技术结合可以有效修复小损伤缺陷。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例中的拖尾演变过程示意图。
图3为本发明实施例中不同CCOS修形时间下拖尾轮廓曲线。
具体实施方式
如图1所示，本实施例用于小尺度损伤缺陷的熔石英元件纳米精度保形修复方法包括：
1)使用磁流变技术对损伤样件均匀去除指定深度；
2)针对磁流变技术加工后的损伤样件使用CCOS(计算机控制小工具抛光)小磨头技术粗抛光进行修形；
3)判断损伤样件上的小损伤点是否完全修复，若尚未完全修复，则跳转执行步骤1)继续进行迭代加工，否则跳转执行下一步；
4)对损伤样件使用磁流变技术和CCOS小磨头技术进行精修以消除CCOS小磨头技术粗抛光过程中产生的划痕并提高面形精度。
由于磁流变的卷积效应，样件中频误差增大，且磁流变技术对损伤缺陷修复过程中会产生拖尾效应。就目前磁流变工艺而言，导致中频误差变大的主要因素是去除路径的卷积效应引起的，磁流变对元件各点的材料去除量是去除函数和该点的驻留时间卷积的结果，理论上如果去除函数完全稳定，整个加工过程连续，那么元件各点的去除量可以准确控制，然而无论使用何种扫描路径对工件进行加工，在其速度实现上都无法实现完全的连续，这种路径上的不连续会使整个加工过程产生误差。此外，磁流变修复凹凸不平的表面时，会导致周边材料去除不均匀，从而形成拖尾。小尺寸拖尾修复演变示意图如图2所示。磁流变去除一层材料后，在损伤缺陷后方会产生拖尾，随着去除材料的不断增加，由于损伤缺陷尚为完全去除，就会不断地造成材料去除的不均匀，使拖尾深度不断增加，但由于损伤缺陷深度不断降低，其对拖尾的影响也会越来越小，当损伤缺陷完全去除，就会只留下一条拖尾，如果继续加工，那么对于拖尾较低点的去除量又会低于两边，和去除划痕机理相同，最后损伤缺陷和拖尾一起去除。本实施例中，步骤1)中的指定深度为4μm。
为进一步提升面形精度，有效控制中频误差，去除磁流变过程中由于损伤缺陷产生的拖尾效应，本实施例步骤2)针对磁流变技术加工后的损伤样件使用CCOS小磨头技术粗抛光进行修形。图3为不同CCOS修形时间对应拖尾轮廓变化情况，说明CCOS可以有效去除磁流变修复损伤缺陷留下的拖尾效应。作为一种可选的实施方式，本实施例步骤2)中使用CCOS小磨头技术粗抛光时，去除深度为700nm。
本实施例步骤3)判断损伤样件上的小损伤点是否完全修复，若尚未完全修复，则跳转执行步骤1)继续进行迭代加工，否则跳转执行下一步以进行精修。在使用磁流变去除损伤缺陷的过程中，如果单次去除深度太大，大损伤缺陷所引入的拖尾深度也就会越深，CCOS收敛的时间也会越长，单次去除深度太小，磁流变和CCOS抛光来多次回交替，增加加工的复杂程度，增加修复时间，同时CCOS去除量的增加对于低频面形精度的破坏也会越严重。经过实验验证，每次磁流变加工最理想的去除深度为4μm，CCOS去除深度为700nm，此时可同时消除中频误差和拖尾。
步骤4)用于对损伤样件使用磁流变技术和CCOS小磨头技术进行精修以消除CCOS小磨头技术粗抛光过程中产生的划痕并提高面形精度。本实施例中，步骤4)中对损伤样件使用磁流变技术和CCOS小磨头技术进行精修包括：首先对损伤样件使用磁流变技术进行精修形，然后使用CCOS小磨头技术精抛光。
作为一种可选的实施方式，本实施例使用CCOS小磨头技术精抛光时，去除深度为200nm。
作为一种可选的实施方式，本实施例步骤4)中对损伤样件使用磁流变技术和CCOS小磨头技术进行精修的结束条件为使损伤样件的表面粗糙度优于1nm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于小尺度损伤缺陷的熔石英元件纳米精度保形修复方法，其特征在于，包括：
1)使用磁流变技术对损伤样件均匀去除指定深度；
2)针对磁流变技术加工后的损伤样件使用CCOS小磨头技术粗抛光进行修形；
3)判断损伤样件上的小损伤点是否完全修复，若尚未完全修复，则跳转执行步骤1)继续进行迭代加工，否则跳转执行下一步；
4)对损伤样件使用磁流变技术和CCOS小磨头技术进行精修以消除CCOS小磨头技术粗抛光过程中产生的划痕并提高面形精度。
2.根据权利要求1所述的用于小尺度损伤缺陷的熔石英元件纳米精度保形修复方法，其特征在于，步骤1)中的指定深度为4μm。
3.根据权利要求1所述的用于小尺度损伤缺陷的熔石英元件纳米精度保形修复方法，其特征在于，步骤2)中使用CCOS小磨头技术粗抛光时，去除深度为700nm。
4.根据权利要求1所述的用于小尺度损伤缺陷的熔石英元件纳米精度保形修复方法，其特征在于，步骤4)中对损伤样件使用磁流变技术和CCOS小磨头技术进行精修包括：首先对损伤样件使用磁流变技术进行精修形，然后使用CCOS小磨头技术精抛光。
5.根据权利要求4所述的用于小尺度损伤缺陷的熔石英元件纳米精度保形修复方法，其特征在于，所述使用CCOS小磨头技术精抛光时，去除深度为200nm。
6.根据权利要求1所述的用于小尺度损伤缺陷的熔石英元件纳米精度保形修复方法，其特征在于，步骤4)中对损伤样件使用磁流变技术和CCOS小磨头技术进行精修的结束条件为使损伤样件的表面粗糙度优于1nm。
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