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高功率激光反射鏡的幾個關鍵技術

閱讀：4284 發(fā)布時間：2012-11-28

北京錦坤科技有限公司www.jonkon.com.cn

（中國科學院光電技術研究所, 成都雙流350信箱, 610209）

　　摘　要　分析了制作高功率連續(xù)激光反射鏡材料的熱性能、缺陷及其加工工藝, 提出了制作高功率激光反射鏡應考慮的幾個關鍵問題: 反射鏡材料的綜合熱性能比值S , 材料的微觀結構、缺陷的大小和晶向的選擇, 以及加工工藝的設計。并介紹了實驗結果。

　　關鍵詞　反射鏡　熱性能　缺陷　粗糙度

　　中圖分類號　TN 244

　　高功率連續(xù)激光反射鏡（以下簡稱反射鏡）是高能連續(xù)激光系統(tǒng)中的主要光學元件, 其質量的好壞, 直接影響著高能激光系統(tǒng)的性能。過去, 人們只注意研究如何提高反射鏡的反射率, 單純依靠表面鍍膜層的好壞來衡量反射鏡的好壞。隨著高能連續(xù)激光技術的飛速發(fā)展,激光系統(tǒng)中的反射鏡承受著越來越高的功率密度, 傳統(tǒng)的材料和表面質量標準已不能*適應于高能連續(xù)激光系統(tǒng)的需要。在現在以及今后的高能連續(xù)激光系統(tǒng)中, 制約著反射鏡性能的因素已不單是反射率, 它還包括制作反射鏡材料的熱性能、微觀結構、缺陷、晶向以及加工工藝等。而這些因素, 不僅在過去, 就是現在也往往被我們的設計者及加工者所忽視。因此,本文將重點分析這些因素對反射鏡的影響。

1　反射鏡的材料

1. 1　材料的熱性能

　　反射鏡在傳輸高能激光束時將吸收一定的能量, 這部分能量轉化為熱能, 由于反射鏡材料的熱膨脹、局部熱應力以及反射鏡固定時的機械應力等原因, 從而使鏡面產生形變, 影響光束的傳輸質量, 嚴重的甚至使反射鏡炸裂, 使系統(tǒng)不能有效地進行工作。鑒于此, 高能激光系統(tǒng)中使用的反射鏡, 要求其工作時表面形變應在許可的范圍以內。機械應力產生的形變可以通過反射鏡固定方式優(yōu)化處理, 從而將其控制在允許范圍以內; 局部熱應力產生的形變遠遠小于熱膨脹的形變, 故可忽略不計[ 1 ]。這里我們僅考慮反射鏡材料的熱膨脹產生的形變。當激光均勻或集中輻射到反射鏡表面時, 根據熱傳導的數學理論可知, 固體中某個表面的熱流通量與局域溫度的梯度成正比, 即:

（1）

式中K為材料的熱導率, φZO為通過固體表面的熱流通量。

（2）

反射鏡熱膨脹產生的形變正比于溫度和熱膨脹系數, 即:

（3）

式中dx 為反射鏡表面的局域形變,

為反射鏡材料的熱膨脹系數, dT 為反射鏡表面的局域溫度。

　將（2）式代入（3）式可得

（4）

式中

為反射鏡材料的綜合熱性能比值.

由（4）式知, 反射鏡表面的熱形變與其材料的綜合熱性能比值S 成正比, 在吸收熱能及反射鏡尺寸相同的前提下, 反射鏡表面熱形變的大小要由材料的綜合熱性能來確定, S 值越小,反射鏡表面的熱形變就越小。表1列出了國內現有的幾種材料的有關熱性能參數[ 2, 3 ]。

通過表1中的參數對比我們發(fā)現, 硅、鉬和銅等材料的綜合熱性能比值S 較小, 而K9玻璃、派勒克斯（Pyrex）和石英玻璃的S 比值就比它們大得多。根據（4）式, 在吸收相同熱流通量的條件下, 用表1中所列的前三種材料作反射鏡, 其表面熱形變將比用硅、鉬和銅等材料作反射鏡大一、二個數量級。有鑒于此, 在僅考慮反射鏡表面熱形變的情況下, 用硅、鉬和銅等材料作反射鏡是比較理想的。在激光束的功率密度較低時, 也可選用石英玻璃, 但用K9、派勒克斯玻璃或與其參數相近的材料作反射鏡則是不現實的。圖1所示的就是K9玻璃反射鏡被強激光束打裂的情形。

1. 2　材料的結構、缺陷及晶向

　　通過上述材料的熱性能分析可知, 在國內現有的材料中, 單晶硅是制作反射鏡的材料。過去, 人們在設計和加工反射鏡時, 往往不考慮或是不*考慮制作反射鏡的材料本身的一些因素, 如微觀結構、缺陷及晶向等。對于高功率激光反射鏡來說, 由于反射鏡表面的超光滑（表面粗糙度小于1nmRM S[ 4 ] ）要求, 這些因素將嚴重制約著反射鏡表面粗糙度的降低。

單晶硅的晶格常數是a= 0. 543nm , 對于（111）晶面而言, 其晶面間距

01235nm , 其晶向的平均原子距離

硅原子的半徑r= 0. 134nm [ 6 ] , 兩相鄰原子間的平均縫隙為l- 2r= 0. 202nm , 其深度是2r+ d = 0. 503nm。兩相鄰原子間的平均縫隙的深度就是用單晶硅制作反射鏡時, 其表面粗糙度的理論極限值（R t）。根據經驗, 表面粗糙度的均方值一般在峰谷值的四分之一至七分之一之間, 由此可知, 用單晶硅作反射鏡時,其表面粗糙度的理論極限值將大于或等于0.126～ 0. 072nmRM S。如此小的粗糙度已*反射鏡的要求, 所以, 單晶硅是適合作反射鏡的*材料之一。

單晶硅的缺陷一般分點缺陷、線缺陷和面缺陷。單晶硅的這些缺陷在加工時將造成被加工表面各局部區(qū)域去除量的不一致, 有缺陷的區(qū)域去除量要多一些, 沒有缺陷的區(qū)域去除量要少一些。加工結束后, 在被加工表面有缺陷的區(qū)域就出現一些小坑, 特別是采用機械和化學相結合的加工方式更是如此。用金相顯微鏡（zui小分辨率為亞微米量級）可以非常明顯地看見這些小坑（圖2）。對于表面粗糙度小于1nmRM S 的反射鏡, 這些小坑的出現是不容許的。

　　單晶硅主要有（111）、（110）和（100）晶面, 由于（111）晶面是自然解理面, 所以沿（111）晶面切割時不易碎裂, 而（110）和（100）晶面不是自然解理面, 沿晶面切片時就容易破碎, 特別是邊緣的破碎在今后的研磨拋光中很容易在表面產生劃痕。另外, （111）晶面很容易拋光成鏡面, 而（110）和（100）晶面拋光成鏡面就比較困難。

　　通過以上分析, 我們可以得出這樣一個結論: 制作反射鏡時應選擇沒有或很少缺陷的,其反射面為（111）晶面的單晶硅。

2　反射鏡的加工

　　反射鏡分冷卻反射鏡和非冷卻反射鏡, 對于冷卻反射鏡, 我們在考慮其加工性能時, 不僅要考慮它的光學加工性能, 同時, 由于它的復雜冷卻通道結構、冷卻管接口以及密封結構等因素, 因而還要考慮它的機械加工性能, 對表1所列的幾種材料, 銅的機械可加工性能是的, 而鉬僅比其余四種材料稍好。對于非冷卻反射鏡, 僅考慮它的光學加工性能即可。

　　高能激光技術的發(fā)展, 要求光學元件的表面質量精度高、超光滑。由于能動光學在強激光系統(tǒng)中的應用, 它還使用了大量的超薄型光學元件, 這些元件的展弦比（直徑與厚度之比）一般大于20, 有些甚至超過100。強激光系統(tǒng)中使用的這些鏡子, 要求表面不能有劃痕、麻點等缺陷, 表面面形一般小于一個波長（0. 6328μm, PV ） ; 表面的微觀質量則要求表面粗糙度小于1nmRM S。國內外對高功率激光反射鏡的加工工藝的具體報導基本上沒有。我們對具有常規(guī)厚度以及超薄型的反射鏡都進行了一些實驗, 并取得了一些成果。

　　光學元件的表面拋光機理存在著三種理論, 即機械磨削理論、化學作用理論和表面流動理論。傳統(tǒng)光學元件的加工都是以普雷斯頓假設為基礎, 即鏡子表面磨去層的厚度可以通過下式求得[ 7 ] ,

（5）

式中h i 為在i 點磨去鏡片的厚度; A 為系數; p i 為在i 點的瞬時壓力; v i 為在i 點的瞬時速度;T 為加工的持續(xù)時間。

　　由于機械磨削作用在拋光過程中是zui基本的, 因此, 拋光表面破壞層缺陷的大小與磨料的直徑成正比。傳統(tǒng)拋光粉（直徑為微米量級）的微小切削作用可以在分子大小范圍內進行,拋光結束后, 表面將形成幾納米至幾十納米的小坑及劃痕。要使被拋光表面的粗糙度達到亞納米量級, 則切削作用必須限制在原子大小范圍內進行, 即以納米量級的微粒參與切削。雖然離子束拋光是原子量級地去除, 但設備復雜、價格昂貴。通過分析比較, 我們采用簡單易行的水中拋光法加工反射鏡。這是因為水中拋光反射鏡時, 微米量級甚至是更大顆粒的拋光粉在離心力及重力的作用下, 逐漸沉降至承液器的底部, 不參與切削, 而納米量級的微粒在布朗運動的作用下參與切削, 從而得到亞納米量級的表面粗糙度。

　　實驗發(fā)現, 從面形精度來看, 硅和鉬沒有多少差別; 從表面粗糙度來看, 采用傳統(tǒng)拋光工藝, 其結果明顯比不上水中拋光, 無論是傳統(tǒng)拋光還是水中拋光, 鉬鏡的表面粗糙度總是大于硅鏡, 這主要是因為鉬鏡中的雜質含量過高以及致密性較差。如果采用高純度的單晶鉬,則可避免這種現象的產生; 從加工時間來看, 鉬鏡所需時間是硅鏡的兩倍。對于超薄型元件,我們用傳統(tǒng)的粘結上盤及一種特殊上盤方式進行了加工實驗見圖3、圖4。從圖中可以看出, 兩種上盤方式加工的面形差別很大, 這主要是因為超薄型硅片的剛性較差, 傳統(tǒng)的粘結上盤加工時, 由于粘結膠的原故, 有很大的膠結變形, 下盤時變形很大。而特殊上盤后進行水中拋光, 就不存在膠結變形和熱變形, 僅僅因為材料本身的應力以及拋光盤的不均勻, 才使鏡子表面產生了很小的象散。如果采用高精度拋光盤并對材料進行精密退火, 則可使表面面形更好, 甚至做到小于0. 1λ（PV ）。

　　根據以上分析選用的單晶硅, 并采用特殊方式加工的硅鏡, 經過強激光打靶試驗, 當反射鏡處于非焦點位置時, 功率密度為22. 5kW/cm², 其形變基本上看不出來, 當反射鏡處于焦點位置, 功率密度為66. 46 kW/cm²時, 其表面的形變也不超過半個波長。這說明反射鏡表面的粗糙度越小, 其抗損傷域值就越高, 而表面粗糙度的大小又與材料的結構、缺陷、晶向及其加工工藝密切相關。

F ig. 3　Classic locating: interferogram of Si　　　　F ig. 4　Specific locating: interferogram of Si

圖3　硅鏡傳統(tǒng)粘結上盤加工的干涉圖　　　　　圖4　硅鏡特殊粘結上盤加工的干涉圖

3　結　論

　　通過以上分析我們可以知道, 在設計和制作高功率連續(xù)激光反射鏡時必須考慮以下幾點: 其一是材料的綜合熱性能比值; 其二是材料的微觀結構、缺陷及晶向等因素; 其三是材料的加工工藝。

　　今后我們將開展較大口徑（φ250～φ400mm ）元件的超光滑加工, 使其加工后的表面粗糙度小于1nmRM S, 并對超光滑表面的加工工藝及機理進行深入探討, 力爭達到表面粗糙度小于0. 2nmRM S 的水平, 使加工的光學零件不僅用于一般高能激光系統(tǒng), 而且適用于X 射線光學系統(tǒng)。

參考文獻

1　黃濤等. 強激光全反腔鏡熱變形模型及計算. 強激光與粒子束, 1995, 7 （3） : 336～ 372

2　（日）素木洋一. 硅酸鹽手冊. 北京: 輕工業(yè)出版社, 1988

3　李責賢, 鄭樂年. 光學設計手冊. 北京: 北京理工大學出版社, 1990

4　Taylo r J R. Specification and testing facilities fo r op tical components used in h igh average power visible laser system.

S P IE , 1989, 1047: 250～ 255

5　孫一材. 半導體測試技術. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1984

6　錢逸泰. 結晶化學. 合肥: 中國科技大學出版社, 1988

7　曹天寧等. 光學零件制造工藝. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1983

SEVERAL KEY MANUFACTURE TECHNOLOGIES OF M IRROR IN HIGH POWER LASER SYSTEM

Deng J ianm ing, L ing N ing

Institu te of Op tics & E lectronics, Ch inese A cad emy of S ciences, Cheng d u, 610209

　　ABSTRACT　The thermal capability ofmaterial, the surface defect and the fabricat ion techniques of the mirro rs using in h igh pow er cont iune laser are analyzed in th is paper. Several features fo rmanufacturingm ir2 ro r must be considered, w h ich are the rat io S of the thermal capability, m icro st ructure, size of the surface defect, the crystal direct ion on them irro rmaterial and design of technic fo r them irro r. Mo reover the results of experimentat ion are given.

　　KEY WORDS：m irro r, thermal capability, defect, roughness

522 強激光與粒子束第10卷

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