本發明屬于光學薄膜元件后處理技術領域，具體涉及一種利用激光沖擊波技術提高光學薄膜元件力學性能的后處理方法。

背景技術：

現代高功率激光技術的發展，特別是大口徑系統的發展，對光學薄膜元件性能提出了越來越苛刻的要求，要求其具有高光性精度、高力學性能、高損傷閾值和高精度面形控制，將直接影響到大口徑精密光學系統的功能實現和系統長時間運行的穩定性。影響光學薄膜各方面性能的因素有很多，包括薄膜自身特性、薄膜制備工藝以及激光參數等。

光學薄膜元件由于其特殊的高、低折射率材料交替沉積在光學玻璃基底上的多層結構，特別是在高激光損傷閾值薄膜研究領域最常用的電子束蒸發鍍制的光學薄膜元件，相比體材料，存在基底與膜層之間的附著力、膜層與膜層之間結合力較弱的問題。而如果薄膜元件由缺陷誘導產生的激光損傷伴隨著膜層剝落，在后續激光脈沖輻照下，損傷會迅速生長，發生災難性破壞，嚴重影響系統運行穩定性。同時，由于薄膜元件材料間的應變不匹配造成的殘余應力和面形精度的影響，同樣對元件的性能和系統穩定性有著巨大的影響，因此必須對薄膜殘余應力進行嚴格的控制。現階段純粹依賴改進制備工藝、優化膜系設計、發展新型鍍膜材料等手段改進薄膜上述力學性能的代價是高昂的，為了進一步提高薄膜元件的性能，國內外的研究人員提出了后處理技術。

各種后處理技術，采用不同的工藝參數、后處理方式，針對不同的膜系材料和結構，可以獲得不同方面的薄膜性能改善。目前常用的后處理手段包括：離子后處理、熱處理和激光預處理。離子后處理，是薄膜在制備完成后，采用低能離子對其進行轟擊以清除薄膜表面原有或粘附的結合較弱的表面顯微缺陷，提高薄膜損傷閾值。目前工藝最成熟，效果最佳的激光預處理是通過激光輻照去除多層介質膜中低閾值的節瘤缺陷來提高薄膜的抗激光損傷能力。熱處理也就是退火，目前雖然主要應用在釋放薄膜殘余應力和改善面形等方面，但是可重復性差，對不同材料、不同鍍膜參數、不同類型的薄膜元件需要的熱處理工藝參數不同，改善程度同樣不同，故實際應用中存在難以控制等問題。

技術實現要素：

本發明針對上述現有技術的不足，提供了一種基于激光沖擊波提高光學元件力學性能的后處理方法。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種基于激光沖擊波的薄膜元件力學性能后處理方法，包括如下步驟：

(1)采用電子束蒸發鍍制一批光學薄膜元件；任意選取一個光學薄膜元件作為被測樣品，測量被測樣品的殘余應力R₀、膜層與基底的臨界附著力A₀、膜層臨界界面結合力B₀和硬度H₀；

(2)在被測樣品上選擇200個測試點，每20個測試點作為一個測試組；并選取10個不同的激光能量，作為10個測試組分別對應的激光能量，每個測試組內的所有測試點對應的激光能量相同；設定每個測試點的輻照脈沖數目均為N₁，采用泵浦激光以選定的激光能量依次輻照被測樣品上的測試點，并通過在線監控系統對準泵浦激光輻照被測樣品的位置來檢測損傷的發生和生長，獲得被測樣品在不同能量下的初始損傷幾率和該脈沖數目下的損傷生長幾率；并通過線性擬合的方式獲得被測樣品在輻照脈沖數目N₁下的初始損傷閾值F₀₁以及損傷生長閾值G₀₁；

(3)重新選取一個被測樣品，將測試點的輻照脈沖數目改為N_k，N_k≠N₁，按照步驟(2)的方法，獲得被測樣品在輻照脈沖數目N_k下的初始損傷閾值F_0k和損傷生長閾值G_0k；

(4)重復執行步驟(3)，獲得m個不同脈沖輻照數目下的初始損傷閾值F0和損傷生長閾值G0；其中，F0＝{F₀₁，F₀₂，F₀₃......F_0mm}，G0＝(G₀₁，G₀₂，G₀₃......G_0m}，要求脈沖輻照數目m不小于激光重復頻率的200倍；

(5)在步驟(1)中制作的一批光學薄膜元件中重新選取一組薄膜元件，在該組薄膜元件膜面粘貼吸收層；在吸收層的表面放置約束層，形成用于激光沖擊波后處理的實驗樣品；

(6)將實驗樣品放置在電動平移臺上，同時保證同一樣品每次放置的位置都相同；使在線顯微鏡始終對準泵浦激光輻照實驗樣品的位置，用以實時檢測后處理過程中實驗樣品、吸收層和約束層的狀態；

(7)設定用于激光沖擊波處理的泵浦激光器的初始入射激光能量E₀、最大入射激光能量E_m和激光能量遞增梯度ΔE，并固定光斑尺寸、搭接率及掃描區域；要求E₀和E_m小于激光沖擊波作用時使薄膜元件不發生破壞的最大激光能量；并標記S為小于等于(E_m-E₀)/ΔE的最大整數；令i＝1；

(8)令實際入射激光能量E＝E₀+ΔE*i；

(9)采用光柵掃描方式對樣品進行一次激光沖擊波掃描處理，使得薄膜元件表面微結構發生變化；

(10)去除薄膜樣品表面殘留的吸收層和約束層，并對薄膜樣品進行噴淋和超聲清洗，獲得經過激光沖擊波后處理的一組實驗樣品；

(11)利用該組實驗樣品分別測量經沖擊波后處理后的殘余應力R_i、膜層與基底的臨界附著力A_i、膜層臨界界面結合力B_i和硬度H_i，并重復執行步驟(2)～(4)，獲得激光沖擊波后處理后m個不同脈沖輻照數目下的初始損傷閾值F0_i和損傷生長閾值G0_i；

(12)令i＝i+1；判斷i是否小于等于S，若是，轉入步驟(5)，若否，進入步驟(13)；

(13)通過被測樣品相同區域在泵浦激光器不同能量下的輻照，完成了對該實驗樣品多個能量梯度的激光沖擊波后處理，并獲得了S次激光沖擊波后處理后薄膜元件力學性能變化特性，包括殘余應力R₁～R_S、臨界附著力A₁～A_S、臨界界面結合力B₁～B_S、硬度H₁～H_S和m個不同脈沖輻照數目下的初始損傷閾值F0₁～F0_S和損傷生長閾值G0₁～G0_S；

(14)改變初始入射激光能量E₀、最大入射激光能量E_m和激光能量遞增梯度ΔE，重復步驟(5)～(13)；以未進行激光沖擊波后處理時薄膜元件的力學特性R₀、A₀、B₀、H₀和抗激光損傷能力F0、G0為基準，分別獲得E₀、E_m和ΔE對S次激光沖擊波處理后樣品力學性能R_S、A_S、B_S、H_S和抗激光損傷能力F_S、G_S的影響規律；根據力學性能和抗激光損傷能力的提升情況，對初始激光能量E₀、能量遞增梯度ΔE和最大激光能量E_m進行優化，當薄膜元件力學性能和抗激光損傷能力不再提升，且滿足實驗樣品的要求時，停止循環，完成薄膜元件力學性能后處理。

本發明具有如下有益效果：

1、本發明所述的后處理方法實現了對高功率光學薄膜元件力學性能的改善，結合實時在線調整后處理工藝參數，解決了光學薄膜元件附著力、膜層結合力、殘余應力等力學性能目前缺乏有效手段控制的難題。本發明可以根據薄膜元件力學性能需求和評判標準，判斷掃描次數和激光能量臺階等工藝參數，直至滿足系統要求為止。

2、本發明所述的后處理方法對光學薄膜元件類型、材料、薄膜沉積參數沒有限制，如減反膜、高反膜和偏振膜等均可兼容。

3、本發明所述的后處理方法不受光學元件尺寸限制，對大口徑光學薄膜元件同樣適用，這對大口徑精密光學系統的功能實現和系統長時間運行的穩定性提供了保證，解決了光學系統向高能量、高精度方向發展的“瓶頸”之一。

4、相比于傳統的熱處理方法存在只能改善光學薄膜元件力學性能中的殘余應力問題，且存在可控性差、重復性低、不適用于大口徑光學元件等問題，本發明所述的后處理方法精度大大提高，可控性和適用范圍大大提升。

5、本發明所述的后處理方法完成后，可以立刻在線檢測，實時獲得薄膜元件附著力、界面結合力、硬度、殘余應力等力學信息，用于檢測評估薄膜元件的力學性能是否達標。

6、本發明所述的后處理方法實現簡單、可靠，適用性廣泛。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本發明做進一步詳細的說明。

實施例1：

一種基于激光沖擊波的薄膜元件力學性能后處理方法，包括如下步驟：

(1)采用電子束蒸發鍍制大小為φ50×5mm的1064nm高反膜，利用波面干涉儀獲得樣品殘余應力R₀，并利用納米劃痕儀測量樣品膜層與基底的臨界附著力A₀，膜層臨界界面結合力B₀和硬度H₀；

(2)任意選取10個激光能量臺階F_j(j＝1，2，...，10)，每個激光能量臺階對應20個測試點，設定每個測試點的輻照脈沖數目N₁，通過在線監控系統對準泵浦激光輻照被測樣品的位置來檢測損傷的發生和生長，從而獲得損傷點數目與所有測試點數目的百分比，以及獲得損傷生長點數目與所有測試點數目的百分比，即獲得被測樣品在不同能量下的初始損傷幾率和該脈沖數目下的損傷生長幾率；并通過線性擬合的方式獲得被測樣品在輻照脈沖數目N₁下的初始損傷閾值F₀₁以及損傷生長閾值G₀₁；

(3)在步驟(1)中制作的一批光學薄膜元件中重新選取一個被測樣品，將測試點的輻照脈沖數目改為N_k(N_k≠N₁)，按照步驟(2)的方法，獲得被測樣品在輻照脈沖數目N_k下的初始損傷閾值F_0k和損傷生長閾值G_0k；

(4)重復執行步驟(3)，獲得m個不同脈沖輻照數目下的初始損傷閾值F0(F0＝{F₀₁，F₀₂，F₀₃......F_0m}和損傷生長閾值G0(G0＝{G₀₁，G₀₂，G₀₃......G_0m}；要求脈沖輻照數目m不小于激光重復頻率的200倍，例如重復頻率為5Hz的話，測試的最大脈沖數目要不小于1000；

(5)在步驟(1)中制作的一批光學薄膜元件中重新選取一組薄膜元件，在薄膜元件膜面粘貼吸收層，吸收層選用市場購買的以黑漆為材料的柔性貼膜，吸收層的厚度為120μm，吸收層厚度波動為8nm，面積覆蓋整個樣品表面；之后在吸收層的表面放置約束層，本實施例中選用去離子水為約束層，去離子水在吸收層表面上形成穩定的厚度為2.5mm的均勻水膜，形成激光沖擊波后處理的實驗樣品；

(6)將被測樣品放置在電動平移臺上，同時要保證同一樣品每次放置的位置都相同，從而使得每次后處理的區域均相同，在線顯微鏡始終對準泵浦激光輻照被測樣品的位置，用以實時檢測后處理過程中被測樣品、吸收層和約束層的狀態；

(7)設定用于激光沖擊波處理的泵浦激光器的初始入射激光能量E₀、最大入射激光能量E_m和激光能量遞增梯度ΔE，選用光斑尺寸為2mm、搭接率為90％、掃描區域大小為10×10mm，要求E₀和E_m小于激光沖擊波作用時使薄膜元件不發生破壞的最大激光能量；并標記S為小于等于(E_m-E₀)/ΔE的最大整數；令i＝1；

(8)令實際入射激光能量E＝E₀+ΔE*i；

(9)采用光柵掃描方式對樣品進行一次激光沖擊波掃描處理，使得薄膜元件表面微結構發生變化；

(10)去除薄膜樣品表面殘留的吸收層和約束層，并對薄膜樣品進行噴淋和超聲清洗；

(11)經過激光沖擊波后處理的薄膜樣品，再次利用波面干涉儀獲得樣品殘余應力R_i，利用納米劃痕儀測量樣品膜層與基底的臨界附著力A_i，膜層臨界界面結合力B_i和硬度H_i，獲得激光沖擊波后處理后m個不同脈沖輻照數目下的初始損傷閾值F0_i和損傷生長閾值G0_i；

(12)令i＝i+1；判斷i是否小于等于S，若是，轉入步驟(5)，若否，進入步驟(13)；

(13)通過被測樣品相同區域在泵浦激光器不同能量下的輻照，完成了對該實驗樣品多個能量梯度的激光沖擊波后處理，并獲得了S次激光沖擊波后處理后薄膜元件力學性能變化特性，包括殘余應力R₁～R_S、臨界附著力A₁～A_S、臨界界面結合力B₁～B_S、硬度H₁～H_S和m個不同脈沖輻照數目下的初始損傷閾值F0₁～F0_S和損傷生長閾值G0₁～G0_S；

(14)改變初始入射激光能量E₀、最大入射激光能量E_m和激光能量遞增梯度ΔE，重復步驟(5)～(13)；以未進行激光沖擊波后處理時薄膜元件的力學特性R₀、A₀、B₀、H₀和抗激光損傷能力F0、G0為基準，分別獲得E₀、E_m和ΔE對S次激光沖擊波處理后樣品力學性能R_S、A_S、B_S、H_S和抗激光損傷能力F_S、G_S的影響規律；

根據力學性能和抗激光損傷能力的提升情況，對初始激光能量E₀、能量遞增梯度ΔE和最大激光能量E_m進行優化，當薄膜元件力學性能和抗激光損傷能力不再提升，且滿足實驗樣品的要求時，停止循環，完成薄膜元件力學性能后處理；此時認為達到最佳激光沖擊波后處理效果，對應的即為最優激光沖擊波后處理工藝參數；所述最優激光沖擊波后處理工藝，包括初始激光能量、能量遞增梯度、最大激光能量和光斑搭接率等。

實施例2

一種基于激光沖擊波的薄膜元件力學性能后處理方法，包括如下步驟：

(1)采用電子束蒸發鍍制大小為φ30×3mm的532nm減反膜，利用波面干涉儀獲得樣品殘余應力R₀，并利用納米劃痕儀測量樣品膜層與基底的臨界附著力A₀，膜層臨界界面結合力B₀和硬度H₀；(2)任意選取10個激光能量臺階F_j(j＝1，2，...，10)，每個激光能量臺階對應20個測試點，設定每個測試點的輻照脈沖數目N₁，通過在線監控系統對準泵浦激光輻照被測樣品的位置來檢測損傷的發生和生長，從而獲得損傷點數目與所有測試點數目的百分比，以及獲得損傷生長點數目與所有測試點數目的百分比，即獲得被測樣品在不同能量下的初始損傷幾率和該脈沖數目下的損傷生長幾率；并通過線性擬合的方式獲得被測樣品在輻照脈沖數目N₁下的初始損傷閾值F₀₁以及損傷生長閾值G₀₁；

(3)在步驟(1)中制作的一批光學薄膜元件中重新選取一個被測樣品，將測試點的輻照脈沖數目改為N_k(N_k≠N₁)，按照步驟(2)的方法，獲得被測樣品在輻照脈沖數目N_k下的初始損傷閾值F_0k和損傷生長閾值G_0k；

(4)重復執行步驟(3)，獲得m個不同脈沖輻照數目下的初始損傷閾值F0(F0＝{F₀₁，F₀₂，F₀₃......F_0mm}和損傷生長閾值G0(G0＝{G₀₁，G₀₂，G₀₃......G_0m}；要求脈沖輻照數目m不小于激光重復頻率的200倍，例如重復頻率為5Hz的話，測試的最大脈沖數目要不小于1000；

(5)在步驟(1)中制作的一批光學薄膜元件中重新選取一組薄膜元件，在薄膜元件膜面粘貼吸收層，吸收層選用市場購買的以黑漆為材料的柔性貼膜，吸收層的厚度為150μm，吸收層厚度波動為8nm，面積覆蓋整個樣品表面；之后在吸收層的表面放置約束層，本實施例中選用去離子水為約束層，去離子水在吸收層表面上形成穩定的厚度為3mm的均勻水膜，形成激光沖擊波后處理的實驗樣品；

(6)將被測樣品放置在電動平移臺上，同時要保證同一樣品每次放置的位置都相同，從而使得每次后處理的區域均相同，在線顯微鏡始終對準泵浦激光輻照被測樣品的位置，用以實時檢測后處理過程中被測樣品、吸收層和約束層的狀態；

(7)設定用于激光沖擊波處理的泵浦激光器的初始入射激光能量E₀、最大入射激光能量E_m和激光能量遞增梯度ΔE，選用光斑尺寸為1mm、搭接率為90％、掃描區域大小為10×10mm，要求E₀和E_m小于激光沖擊波作用時使薄膜元件不發生破壞的最大激光能量；并標記S為小于等于(E_m-E₀)/ΔE的最大整數；令i＝1；

(8)令實際入射激光能量E＝E₀+ΔE*i；

(9)采用光柵掃描方式對樣品進行一次激光沖擊波掃描處理，使得薄膜元件表面微結構發生變化；

(10)去除薄膜樣品表面殘留的吸收層和約束層，并對薄膜樣品進行噴淋和超聲清洗；

(11)經過激光沖擊波后處理的薄膜樣品，再次利用波面干涉儀獲得樣品殘余應力R_i，利用納米劃痕儀測量樣品膜層與基底的臨界附著力A_i，膜層臨界界面結合力B_i和硬度H_i，并重復步驟(2)～(4)，獲得激光沖擊波后處理后m個不同脈沖輻照數目下的初始損傷閾值F0_i和損傷生長閾值G0_i；

(12)令i＝i+1；判斷i是否小于等于S，若是，轉入步驟(5)，若否，進入步驟(13)；

(13)通過被測樣品相同區域在泵浦激光器不同能量下的輻照，完成了對該實驗樣品多個能量梯度的激光沖擊波后處理，并獲得了S次激光沖擊波后處理后薄膜元件力學性能變化特性，包括殘余應力R₁～R_S、臨界附著力A₁～A_S、臨界界面結合力B₁～B_S、硬度H₁～H_S和m個不同脈沖輻照數目下的初始損傷閾值F0₁～F0_S和損傷生長閾值G0₁～G0_S；

(14)改變初始入射激光能量E0、最大入射激光能量E_m和激光能量遞增梯度ΔE，重復步驟(5)～(13)；以未進行激光沖擊波后處理時薄膜元件的力學特性R₀、A₀、B₀、H₀和抗激光損傷能力F0、G0為基準，分別獲得E₀、E_m和ΔE對S次激光沖擊波處理后樣品力學性能R_S、A_S、B_S、H_S和抗激光損傷能力F_S、G_S的影響規律；

根據力學性能和抗激光損傷能力的提升情況，對初始激光能量E₀、能量遞增梯度ΔE和最大激光能量E_m進行優化，當薄膜元件力學性能和抗激光損傷能力不再提升，且滿足實驗樣品的要求時，停止循環，完成薄膜元件力學性能后處理；此時認為達到最佳激光沖擊波后處理效果，對應的即為最優激光沖擊波后處理工藝參數；所述最優激光沖擊波后處理工藝，包括初始激光能量、能量遞增梯度、最大激光能量和光斑搭接率等。

(15)改變鍍膜參數(沉積速率、沉積溫度等)，重復步驟(1)～(14)，還可獲得激光沖擊波后處理對同一類型不同微結構的光學薄膜元件力學性能的提升規律。