Nd:YAG晶體及其表面拋光方法與流程
2023-04-25 04:26:39 1
本發明涉及光學加工領域，具體涉及一種摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)晶體及其表面拋光方法。
背景技術：
摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)晶體物理化學性能穩定，是重要的雷射晶體之一，在高功率雷射器中得到廣泛的應用。在Nd:YAG晶體的應用中，往往需要將其加工成特定的形狀，並且對其表面粗糙度和面形都有一定的要求。例如用於高功率板條雷射器的板條Nd:YAG晶體元件，其表面加工精度直接影響雷射器的光束輸出質量，同時為了提高元件抗損傷能力，對其表面質量也有要求。針對YAG晶體材料的光學加工，目前已報導的加工方法多見於利用瀝青、聚氨酯或純錫等拋光模，選用金剛石或氧化鋁微粉磨料進行手工拋光或機器拋光。2014年，謝瑞清等人提出基於合成盤拋光技術(板條Nd:YAG晶體的合成盤拋光技術[J].強雷射與離子束，2014 26 1)，在相應夾持工裝的配合下，開展了Nd:YAG晶體的低透射波前加工技術(Nd:YAG晶體體板條低透射波前誤差加工技術[J].強雷射與離子束，2015 27 6)。
上述方法拋光過程均主要依靠磨料的機械作用去除晶體表面的材料，拋光過程中由於機械加工應力及拋光粉顆粒不均勻或聚集等因素，會不可避免的產生微劃痕、亞表面損傷等加工缺陷。這些加工缺陷會明顯降低晶體在高能雷射應用中的損傷閾值。
技術實現要素：
為了解決目前Nd:YAG晶體拋光過程中表面微劃痕，亞表面損傷等加工缺陷問題，本發明提供了一種基於低能離子束物理刻蝕的Nd:YAG晶體表面拋光方法。
一方面，本發明提供一種Nd:YAG晶體表面拋光方法，所述拋光方法包括：S1、對Nd:YAG晶體表面進行超聲波清洗，烘乾，去除所述Nd:YAG晶體表面的雜質；S2、在真空中利用低能離子束對步驟S1所得樣品濺射刻蝕，控制低能離子束在晶體表面以均勻的速度和等量步距進行掃描。
另一方面，本發明還提供了由本發明的拋光方法拋光得到的Nd:YAG晶體，所述Nd:YAG晶體的粗糙度為優於0.1nmRMS。
本發明的技術方案與現有技術相比，有益效果在於：本發明提供了一種基於低能離子束物理刻蝕的Nd:YAG晶體表面拋光方法，該方法無機械拋光應力，拋光過程在真空中進行且不使用拋光粉等輔助材料，可有有效的減少表面微劃痕、亞表面損傷等加工缺陷，改善表面粗糙度，提高表面質量，進而提高晶體在高能雷射應用中的損傷閾值。
附圖說明
圖1是根據本發明所述的一個實施例的Nd:YAG晶體表面拋光方法的示意圖；
圖2是根據本發明所述的實施例1的Nd:YAG晶體表面拋光方法中的板條狀Nd:YAG晶體照片；
圖3是根據本發明所述的實施例1的Nd:YAG晶體表面拋光方法中的柵格形路徑規劃示意圖；
圖4是根據本發明所述的實施例1的Nd:YAG晶體表面拋光方法拋光前的微觀形貌測量結果；
圖5是根據本發明所述的實施例1的Nd:YAG晶體表面拋光方法拋光後的晶體表面微觀形貌測量結果。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本發明的不同結構。為了簡化本發明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，並且目的不在於限制本發明。此外，本發明可以在不同例子中重複參考數字和/或字母。這種重複是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關係。
下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步說明。
本發明提供一個實施例的Nd:YAG晶體表面拋光方法，如圖1所示，所拋光方法包括：
步驟S1、對Nd:YAG晶體表面進行超聲波清洗，烘乾，去除所述Nd:YAG晶體表面的雜質；
步驟S2、在真空中利用低能離子束對步驟S1所得樣品濺射刻蝕，控制低能離子束在晶體表面以均勻的速度和等量步距進行掃描。
在具體實施中，所述低能離子束為中性氬離子束和/或中性氙離子束。
在具體實施中，所述步驟S1中的超聲波清洗包括在依次在40kHz、50kHz、60kHz、80kHz的超聲波頻率下分別超聲清洗3分鐘。
在具體實施中，所述掃描速度為5mm/s-50mm/s，所述步距為0.2mm-1mm。
在具體實施中，所述步驟S2的掃描過程中，離子束入射角保持恆定，所述低能離子束入射角的角度範圍為0-40度。
在具體實施中，所述掃描的路徑為柵格形或螺旋形。
在具體實施中，所述低能離子束的離子能量為500eV-1500eV。
在具體實施中，所述烘乾為酒精烘乾。
本發明所述的Nd:YAG晶體表面拋光方法的技術原理可以具體地描述為：在真空中進行低能離子束物理濺射刻蝕拋光，依靠加速的中性氬離子轟擊晶體表面，將離子動能轉化為晶體表面原子能量，當原子能量大於束縛力時便從晶體表面濺射而出，從而實現材料去除。在所述低能離子束物理濺射刻蝕拋光過程中，控制離子束在晶體表面進行均勻掃描，所述均勻掃描是指以均勻的速度和等量步距掃描過晶體表面以保證晶體表面各個位置離子束濺射刻蝕拋光時間相同，所述步距為0.2mm-1mm，所述掃描速度為5mm/s-50mm/s。所述掃描過程中離子束入射角度(定義為離子束入射方向與晶體表面法向的夾角)保持恆定,所述入射角度範圍為0-40度。所述掃描的路徑根據工件形狀可以是柵格形(適用於矩形元件)或者螺旋形(適用於圓形元件)。根據Nd:YAG晶體濺射閾值，所述離子能量為500eV至1500eV。
實施例1：
一種摻釹釔鋁石榴石晶體表面拋光方法
對一塊138mm×35mm×7mm的板條狀Nd:YAG晶體(照片如圖2所示)的138mm×35mm面進行拋光，包括以下步驟：
步驟S1、對機械拋光後的138mm×35mm×7mm的板條狀摻釹釔鋁石榴石晶體利用超聲波清洗機進行超聲波清洗、酒精烘乾，去除晶體表面在機械拋光階段殘留的拋光粉以及其他如灰塵，油汙，雜質等表面汙染物。
步驟S2、在真空中採用低能離子束物理濺射刻蝕拋光原理對表面進行拋光，拋光控制離子束在晶體表面進行均勻掃描，掃描時採用柵格形路徑(如圖3所示)，掃描步距0.5mm，掃描速度10mm/s。設定入射離子能量為1300eV。設定離子束入射角度為0度。
採用原子力顯微鏡對Nd:YAG晶體表面進行表面微觀形貌測量，晶體表面微觀形貌在機械拋光後本發明所述方法拋光前的微觀形貌如圖4所示，其粗糙度為0.12nmRMS，且表面明顯可見微觀劃痕；晶體表面微觀形貌經本發明所述方法拋光後的微觀形貌圖如圖5所示，其粗糙度為0.08nmRMS，表面微觀劃痕狀態得到有效改善。
實施例2：
一種摻釹釔鋁石榴石晶體表面拋光方法
對一塊φ25mm×2mm的片狀Nd:YAG晶體的φ25mm面進行拋光，包括以下步驟：
步驟S1、對機械拋光後的φ25mm×2mm的片狀摻釹釔鋁石榴石晶體利用超聲波清洗機進行超聲波清洗、高純氮氣烘乾，去除晶體表面在機械拋光階段殘留的拋光粉以及其他如灰塵，油汙，雜質等表面汙染物。
步驟S2、在真空中採用低能離子束物理濺射刻蝕拋光原理對表面進行拋光，拋光控制離子束在晶體表面進行均勻掃描，掃描時採用螺旋形路徑，掃描步距1mm，掃描速度49mm/s。設定入射離子能量為1500eV。設定離子束入射角度為25度。
採用原子力顯微鏡對Nd:YAG晶體表面進行表面微觀形貌測量，晶體表面微觀形貌在機械拋光後本發明所述方法拋光前的微觀形貌，其粗糙度為0.2nmRMS，且表面明顯可見微觀劃痕；晶體表面微觀形貌經本發明所述方法拋光後的微觀形貌，其粗糙度為0.09nmRMS，表面微觀劃痕狀態得到有效改善。
實施例3：
一種摻釹釔鋁石榴石晶體表面拋光方法
對一塊φ10mm×1mm的圓片狀Nd:YAG晶體的φ10mm面進行拋光，包括以下步驟：
步驟S1、對機械拋光後的φ10mm×1mm的圓片狀摻釹釔鋁石榴石晶體利用超聲波清洗機進行超聲波清洗，酒精烘乾，去除晶體表面在機械拋光階段殘留的拋光粉以及其他如灰塵，油汙，雜質等表面汙染物。
步驟S2、在真空中採用低能離子束物理濺射刻蝕拋光原理對表面進行拋光，拋光控制離子束在晶體表面進行均勻掃描，掃描時採用柵格形路徑，掃描步距0.2mm，掃描速度5mm/s。設定入射離子能量為750eV。設定離子束入射角度為40度。
採用原子力顯微鏡對Nd:YAG晶體表面進行表面微觀形貌測量，晶體表面微觀形貌在機械拋光後本發明所述方法拋光前的微觀形貌，其粗糙度為0.16nmRMS，且表面明顯可見微觀劃痕；晶體表面微觀形貌經本發明所述方法拋光後的微觀形貌，其粗糙度為0.07nmRMS，表面微觀劃痕狀態得到有效改善。
實施例1-3充分說明本發明的有益效果：本發明提供的拋光方法無機械拋光應力，拋光過程在真空中進行且不使用拋光粉等輔助材料，有效地減少表面微劃痕、亞表面損傷等加工缺陷，改善了晶體表面粗糙度，提高了晶體表面質量，進而提高了晶體在高能雷射應用中的損傷閾值。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由所附權利要求及其等同限定。
上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理和最佳實施例，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。