阅读说明：本技术 一种易潮解kdp功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法 (Equal material flattening method for local concave-convex surface of deliquescent KDP functional crystal ) 是由 程健 程旭盟 彭恩鸿 王景贺 陈明君 赵林杰 杨浩 刘启 谭超 武文强 于 2020-11-13 设计创作，主要内容包括：一种易潮解KDP功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法,属于工程光学领域,用以解决由于现有表面微机械处理方法的局限性而导致的不能实现KDP功能晶体局部凹凸表面的平整化处理的问题。该方法的技术要点在于基于KDP晶体材料的易潮解特性,不增加或减少晶体材料,通过控制晶体元件加工环境的湿度,使晶体处于高湿度环境下,在微探针与KDP晶体表面形成水半月板,利用水溶剂的介入作用,对晶体表面局部凹凸形貌进行等材修平以实现晶体元件表面局部凹凸形貌的平整化处理。本发明可用于提升光学元件的激光损伤阈值和使用寿命。(A method for flattening equal materials of a KDP functional crystal local concave-convex surface easy to deliquesce belongs to the field of engineering optics and is used for solving the problem that flattening treatment of the KDP functional crystal local concave-convex surface cannot be achieved due to the limitation of the existing surface micro-mechanical treatment method. The method has the technical key points that based on the deliquescence characteristic of the KDP crystal material, the crystal material is not increased or reduced, the crystal is in a high-humidity environment by controlling the humidity of the processing environment of the crystal element, a water meniscus is formed on the surfaces of the microprobe and the KDP crystal, and the intervention effect of a water solvent is utilized to perform equal material leveling on the local concave-convex morphology of the crystal surface so as to realize the leveling treatment of the local concave-convex morphology of the crystal element surface. The invention can be used for improving the laser damage threshold and prolonging the service life of the optical element.)

一种易潮解KDP功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法

技术领域

本发明涉及工程光学领域，具体涉及一种易潮解KDP功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法。

技术背景

大尺寸KDP功能晶体是高功率固体激光装置中的重要光学组件，是目前唯一可作为普克尔斯盒和倍频转换器的晶体材料。它是一种典型的软脆材料，易潮解、易开裂、对温度变化敏感，是国际公认的最难加工的材料之一。由于KDP晶体软脆、易开裂、易潮解的特性，传统的磨削、抛光等加工方法无法获得高质量、高精度的光学表面。现阶段，单点金刚石飞切加工是大口径KDP晶体最理想的超精密加工方法，但由于单点金刚石超精密飞切加工过程中主轴的振动、微量进给的波动、切削时材料的尺寸效应和耕犁效应以及晶体材料的软脆特性，使得飞切加工表面会不可避免地引入局部表面的凹凸不平形貌特征(如：微凸起、微凹坑点、微划痕、微裂纹等)。当加工制备后的KDP晶体服役于高功率固体激光系统时，加工引入晶体表面局部凹凸形貌会对入射激光产生强烈的调制作用，尤其在三倍频紫外强激光的辐照下，局部光强的增强会诱导晶体元件产生进一步的激光损伤。晶体元件表面激光损伤行为的加剧会造成晶体元件通光性能的降低，严重影响强激光输出的能流密度及光学元件的使用寿命。若不及时对晶体元件加工表面局部凹凸形貌进行处理，在强激光辐照下会对晶体元件造成损伤和损伤增长，从而导致整个光学元件的损坏并最终影响整个激光光路系统。因此，急需一种KDP功能晶体表面局部凹凸形貌的快速、有效修平方法。

目前常见的光学表面处理方法有CO2激光烧蚀、化学刻蚀、超短脉冲机床消融、微机械去除等方法。由于KDP晶体材料软脆、易潮解、易开裂等特性，基于减材加工的微机械去除方法是KDP晶体元件最主流的表面处理方法。该方法虽然可以去除晶体表面的缺陷点，从而抑制强激光辐照下晶体表面微缺陷点的进一步扩展，由此提升晶体元件的抗激光损伤能力，并延缓其使用寿命，但该表面处理方法仍存在以下许多不足：1.基于减材加工的微机械处理方法，由于所使用微小刀具的尺寸限制，无法处理特征尺寸小于10μm的局部表面凹凸形貌，并且处理特征尺寸大于10μm的局部表面凹凸形貌需破坏大量的完好表面，并会在处理后的表面遗留下处理后的曲面轮廓，无法实现真正意义上的“修平”；2.由于现有的微机械处理方法属于减材加工范畴，处理过程中会破坏大量的完好表面，因此表面减材处理次数有限且处理后晶体元件通光性能会随着处理次数的增多，逐渐变差；3.由于微机械处理是基于小工具头依照设定的轨迹对晶体表面进行加工处理，在加工过程不可避免会在处理后的表面留下残留刀纹形貌，残留微刀纹亦会显著影响晶体元件的光学性能；4.基于减材的微机械处理后在晶体元件表面留下残留曲面轮廓，该轮廓结构会对入射激光产生强烈的远场调制行为，使晶体元件的下游远场产生增强热点，从而很容易造成下游光学元件的激光损伤。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出一种易潮解KDP功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法，用以解决由于现有表面微机械处理方法的局限性而导致的不能实现KDP功能晶体局部凹凸表面的平整化处理的问题。

一种易潮解KDP功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法，包括以下步骤，

步骤一、利用超景深显微镜和原子力显微镜对KDP晶体表面形貌进行离线分析与统计，确定KDP功能晶体局部待修平凹凸表面的位置信息和特征尺寸信息；其中，原子力显微镜上安装有微探针；

步骤二、根据位置信息和特征尺寸信息，利用CCD相机对KDP功能晶体局部待修平凹凸表面进行定位，确定原子力显微镜微探针与KDP功能晶体局部待修平凹凸表面的相对位置；

步骤三、利用原子力显微镜微探针对KDP功能晶体局部待修平凹凸表面进行在线扫描与测量，记录KDP功能晶体局部待修平凹凸表面的初始凹凸形貌；

步骤四、利用超声波湿度调节装置，对步骤三中KDP功能晶体局部待修平凹凸表面设置相应的相对湿度，并通过原子力显微镜微探针移动扫描对KDP晶体局部待修平凹凸表面进行修平；

步骤五、应用原子力显微镜在线成像功能，间隔固定周期时间对KDP功能晶体局部待修平凹凸表面进行在线成像，判断KDP功能晶体局部待修平凹凸表面是否趋于稳定，在趋于稳定后停止修平。

进一步地，还包括步骤六，修平结束后记录最终修平后的KDP功能晶体表面形貌，并分析修平效果及对修平表面质量进行评价。

进一步地，步骤四中相对湿度的范围为40％～85％。

进一步地，步骤四中相对湿度为75％。

进一步地，步骤四中修平原理是基于KDP功能晶体的材料易潮解特性，通过在高湿度环境下微探针与KDP功能晶体表面毛细力作用吸附空气中水分子而形成水半月板，对物质进行运输，实现物质的重新分配。

进一步地，步骤五中间隔固定周期时间为三分钟。

进一步地，步骤五中判断KDP功能晶体局部待修平凹凸表面是否趋于稳定的标准是KDP功能晶体表面凸起或凹陷处曲率半径是否均大于预设值。

本发明的有益技术效果是：

考虑到KDP功能晶体现有表面微机械处理方法的局限性，本发明基于KDP晶体材料的易潮解特性，提出了一种KDP功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法，即不增加或减少晶体材料，实现晶体元件表面局部凹凸形貌的平整化处理。该方法是通过控制晶体元件加工环境的湿度，使晶体处于高湿度环境下，在微探针与KDP晶体表面形成水半月板，利用水溶剂的介入作用，对晶体表面局部凹凸形貌进行等材修平。对比常用晶体表面处理方法，本方法具有以下优点：

1.由于水溶剂的介入作用不会限制加工区域大小，可以实现对特征尺寸小于10μm的局部微小凹凸表面形貌的修平处理；

2.不会破坏现有完好晶体表面，因此可以进行无限次数的修平而不会降低晶体元件的通光性能；

3.可实现晶体元件表面局部凹凸形貌平整恢复，因此修平后不会因远场调制而引起下游光学元件的损伤破坏；

4.通过对晶体表面局部凹凸形貌的修平处理，可以提高修平后晶体元件的表面粗糙度，进而提升光学元件的激光损伤阈值和使用寿命。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。

图1示出了根据本发明实施方式一种易潮解KDP功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法的示意性流程图。

图2示出了根据本发明实施方式一种易潮解KDP功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法的初始待修平凹凸表面形貌示意图。

图3示出了根据本发明实施方式一种易潮解KDP功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法的修平原理示意图。

图4示出了根据本发明实施方式一种易潮解KDP功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法的修平后表面形貌示意图。

图5示出了根据本发明实施方式一种易潮解KDP功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法的实验装置示意图。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

考虑到KDP功能晶体现有表面微机械处理方法的局限性，本发明基于KDP晶体材料的易潮解特性，提出一种KDP功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法，即不增加或减少晶体材料，实现晶体元件表面局部凹凸形貌的平整化处理。该方法是通过控制晶体元件加工环境的湿度，使晶体处于高湿度环境下，在微探针与KDP晶体表面形成水半月板，利用水溶剂的介入作用，对晶体表面局部凹凸形貌进行等材修平。图1示出了根据本发明实施方式一种易潮解KDP功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法的示意性流程图。

如图1所示，该方法包括以下步骤，

步骤一、利用超景深显微镜和原子力显微镜对KDP晶体表面形貌进行离线分析与统计，确定KDP功能晶体局部待修平凹凸表面的位置信息和特征尺寸信息；其中，原子力显微镜上安装有微探针。

根据本发明实施例，首先采用超景深显微镜(例如型号为VHE-1000E的超景深光学显微镜，其最大放大倍数5000倍)观察大范围KDP晶体表面形貌特征，统计表面凹凸形貌的位置分布，并为原子力显微镜上的微探针定位提供位置信息；然后根据超景深显微镜所观察到的位置分布，应用原子力显微镜(例如型号为布鲁克Dimension Fastscan的原子力显微镜)观测并统计晶体表面局部凹凸形貌特征尺寸信息；根据统计信息，确定待修平的区域范围，并记录修平数量和位置信息。

步骤二、根据位置信息和特征尺寸信息，利用CCD相机对KDP功能晶体局部待修平凹凸表面进行定位，确定原子力显微镜微探针与KDP功能晶体局部待修平凹凸表面的相对位置；

步骤三、利用原子力显微镜微探针对KDP功能晶体局部待修平凹凸表面进行在线扫描与测量，记录KDP功能晶体局部待修平凹凸表面的初始凹凸形貌；

根据本发明实施例，利用原子力显微镜在线成像功能测量并记录初始待修平表面的凹凸形貌如图2所示，由图2可知，KDP功能晶体修平之前原始表面两侧凸起、中间凹陷，凹凸形貌高度为71.7nm。

步骤四、利用超声波湿度调节装置，对步骤三中KDP功能晶体局部待修平凹凸表面设置相应的相对湿度，并通过原子力显微镜微探针移动扫描对KDP晶体局部待修平凹凸表面进行修平；

根据本发明实施例，利用超声波湿度调节装置，依据晶体表面局部待修平凹凸表面的形貌特征(凹凸形貌与尺度大小)对湿度进行控制。由于温度亦会影响水半月板的形成，故设定工作环境为室温20℃；且为有利于水半月板的形成，相对湿度不低于40％；为了防止晶体完好表面的潮解，相对湿度不超过85％。修平实验前对不同特征尺寸的凹凸形貌在不同湿度环境下(相对湿度从45％增加至85％，每次增加10％)进行修平，记录最终修平结果，对比不同湿度下的修平效果，确定合适的相对湿度为75％，进行修平实验。

修平实验是基于KDP晶体材料易潮解的特性，通过在高湿度环境下探针与KDP晶体表面毛细力作用吸附空气中水分子而形成水半月板，对物质进行运输，实现物质的重新分配。在水半月板形成之后，溶解的KDP晶体材料很快达到饱和，由于水溶剂的介入作用，对晶体材料进行了“搬运”，从而实现了晶体表面局部凹凸形貌特征的修平效果。图3示出了根据本发明实施方式一种易潮解KDP功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法的修平原理示意图。如图3所示，在局部凹陷处，两侧均有KDP晶体的堆积，为局部待修平凹陷提供了物质。随着微探针的往复扫描移动，晶体表面由图3中3所示原始形貌逐渐向2所示形貌演变，随着修平工作的进行，表面形貌逐渐由2所示向1所示形貌演变并最终趋于稳定。而对于表面凸起形貌特征，两侧均有凹陷部分，为修平凸起处提供物质存储空间。随着微探针的往复扫描移动，晶体表面由图3中6所示原始形貌逐渐向5所示形貌演变，随着修平工作的进行，表面形貌逐渐由5所示形貌向4所示形貌演变并最终趋于稳定。

步骤五、应用原子力显微镜在线成像功能，间隔固定周期时间对KDP功能晶体局部待修平凹凸表面进行在线成像，判断KDP功能晶体局部待修平凹凸表面是否趋于稳定，在趋于稳定后停止修平；

根据本发明实施例，使用微探针对晶体局部表面凹凸形貌进行修平，利用原子力显微镜在线成像功能，每隔三分钟对表面形貌进行扫描成像，表面形貌趋于稳定后，停止修平实验。在相对湿度75％的条件下，87分钟后晶体待修平表面趋于稳定，如图3所示，表面形貌趋于稳定即表面凸起或凹陷处曲率半径均较大时，晶体不再随探针移动重新分配，水溶剂不再具有物质运输能力，此时已达到晶体表面局部凸凹形貌的修平效果。

步骤六、修平结束后记录最终修平后的KDP功能晶体表面形貌，并分析修平效果及对修平表面质量进行评价。

根据本发明实施例，对获取的最终表面进行分析，采用原子力显微镜测量并观察其二维和三维形貌，判断待修平表面的凹凸形貌是否恢复至平整，表面粗糙度是否达到预期目标。图4示出了根据本发明实施方式一种易潮解KDP功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法的修平后表面形貌示意图。

由图4可知，修平后晶体表面趋于平整，表面微观凹凸形貌高度减小至7.3nm，相对与修平前的高度减小接近90％，具有明显的修平效果。经检测，修平区域的表面粗糙度Ra由初始的14.7nm降低至1.62nm，修平后晶体表面质量明显提升。

图5示出了根据本发明实施方式一种易潮解KDP功能晶体局部凹凸表面的等材修平方法的实验装置示意图。

进一步说，晶体元件表面质量的提升会提高元件的激光损伤阈值，因此基于KDP晶体易潮解特性的水溶剂介入表面等材修平方法是一种快速有效的KDP晶体表面处理方法，对提升晶体元件在强激光极端使役环境下的使用性能具有极高的工程实用价值。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。