1 地下损伤的定义及成因
光学元件的亚表面损伤（SSD，sub-surface Damage）是在强激光系统、光刻机等高精度光学应用中经常提到的，它的存在制约着光学元件的最终加工精度，进一步影响成像光学系统的性能，因此需要引起足够的重视。次表面损伤通常表现为元件表面内部的裂纹和内部应力层，这是由近表面区域材料成分的一些残余碎裂和变形引起的。次表面损伤模型如下：顶层为抛光沉积层，其次为裂纹缺陷层和应力变形层，最内层为未损伤的材料层。其中裂纹缺陷层和应力变形层为亚表面损伤。
光学材料的次表面损伤模型
光学元件的材料一般为玻璃、陶瓷等硬脆材料，在元件的加工初期，需要经过铣削成型、精磨和粗抛光等工序，在这些过程中，存在着机械研磨和化学反应。并发挥作用。与元件表面接触的磨料或磨具具有粒度不均匀的特点，元件表面各接触点受力不均匀，因此会产生凸凹层和内部裂纹层。产生于玻璃表面。裂纹层中存在的材料是磨削过程中破碎的成分，但尚未从表面脱落，因此会形成亚表面损伤。无论是松散颗粒的磨料磨削还是数控磨削，都会在材料表面形成这种现象。亚表面损伤的实际效果如下图所示：
次表面损伤渲染
2 次表面损伤测量方法
由于亚表面损伤不容忽视，因此光学元件制造商必须对其进行有效控制。为了对其进行有效控制，需要准确地识别和检测构件表面亚表面损伤的尺寸，自上世纪初以来，人们发展了多种方法来测量和评估其尺寸元件表面下损伤的检测，根据对光学元件影响程度的方式，可分为破坏性测量和非破坏性测量（无损检测）两大类。
破坏性测量法，顾名思义，就是需要改变光学元件的表面结构，使不易观察到的亚表面损伤得以显现，然后利用显微镜等仪器进行观察。测量方法，这种方法通常比较耗时，但其测量结果可靠且准确。无损测量方法，不对部件表面造成额外的损伤，利用光、声或其他电磁波来检测表面下损伤层，并利用它们在层中发生的性能变化量来评估损伤的大小。对于SSD，此类方法相对方便快捷，但通常是定性观察。根据这种分类，目前亚表面损伤的检测方法如下图所示：
地下损伤检测方法分类与总结
这些测量方法的简要说明如下：
A. 破坏性方法
a) 抛光方法
在磁流变抛光出现之前，光学工作者通常采用锥度抛光来分析光学元件的亚表面损伤，即沿斜角切割光学表面，形成斜内表面，然后对斜表面进行抛光。一般认为抛光不会加剧原有的亚表面损伤。通过化学试剂的浸泡腐蚀，SSD层的裂纹会更加明显地显现出来。通过对浸没后的斜面进行光学观察，可以测量出亚表面损伤层的深度、长度等信息。后来，科学家发明了球凹坑法（Ball Dimpling），即用球形抛光工具对磨削后的表面进行抛光，抛出一个凹坑，凹坑的深度需要尽可能深，以便分析凹坑侧面的轮廓可以获取原始表面的亚表面损伤信息。
检测光学元件表面下损伤的常用方法
磁流变抛光（MRF）是一种利用磁流体条对光学元件进行抛光的技术，与传统的沥青/聚氨酯抛光不同。传统的抛光方法中，抛光工具通常会对光学表面施加较大的法向力，而Mr Polishing则沿切线方向去除光学表面，因此Mr Polishing并不会改变光学表面原有的亚表面损伤特性。因此，Mr Polishing可用于对光学表面上的凹槽进行抛光。然后分析抛光区域以评估原始光学表面的亚表面损伤的大小。
a) 块涂胶法
该方法也已用于测试亚表面损伤。其实就是选择形状和材质相同的正方形样品，将样品的两个表面抛光，然后用粘合剂将样品的两个抛光面粘在一起，然后将两个样品的侧面同时磨在一起时间。研磨后，使用化学试剂将两个方形样品分开。磨削阶段造成的表面下损伤的大小可以通过用显微镜观察分离的抛光表面来评估。该方法的流程示意图如下：
块状粘合法次表面损伤检测示意图
这种方法有一定的局限性。由于存在粘性表面，粘性表面的情况可能无法完全反映磨削后材料内部实际的亚表面损伤情况，因此测量结果只能在一定程度上反映SSD情况。
a) 化学蚀刻
该方法使用合适的化学试剂来侵蚀光学表面的受损层。侵蚀过程完成后，通过构件表面的表面形状和粗糙度以及侵蚀速率的指标变化来评价亚表面损伤。常用的化学试剂有氢氟酸（HF）、氟化氢铵（NH4HF）等腐蚀剂。
b) 截面法
解剖样品并使用扫描电子显微镜直接观察亚表面损伤的大小。
c) 染料浸渍法
由于磨削光学元件的表层含有大量微裂纹，因此可以将能与光学基材形成颜色对比或与基材形成反差的染料压入材料中。如果基材由深色材料组成，则可以使用荧光染料。然后可以通过光学或电子方式轻松检查次表面损坏。由于裂纹通常非常细小并且位于材料内部，当染料渗透的渗透深度不够时，可能无法代表微裂纹的真实深度。为了尽可能准确地获得裂纹深度，人们提出了多种浸渍染料的方法：机械预压和冷等静压，以及使用电子探针微量分析（EPMA）来检测极低浓度的痕量染料。
B、无损方法
a) 估算方法
该估计方法主要根据磨料颗粒尺寸的大小和零件表面粗糙度的大小来估计亚表面损伤的深度。研究人员通过大量试验，建立了磨料颗粒尺寸与亚表面损伤深度的对应关系，以及零件表面粗糙度大小与亚表面损伤深度的匹配表。表面损坏。可以利用它们的对应关系来估计当前部件表面的亚表面损伤。
b) 光学相干断层扫描 (OCT)
光学相干断层扫描的基本原理是迈克尔逊干涉，通过两束光的干涉信号来评估测量信息。该技术通常用于观察生物组织并提供组织表面下结构的横截面断层扫描。当采用OCT技术观察光学表面的亚表面损伤时，必须考虑被测样品的折射率参数才能获得实际的裂纹深度。据报道，该方法可以检测深度为 500μm 的缺陷，垂直分辨率优于 20μm。但用于光学材料的SSD检测时，SSD层反射的光线相对较弱，因此很难形成干涉。此外，表面散射也会影响测量结果，测量精度有待提高。
c) 激光散射法
光度表面上的激光照射，利用激光的散射特性来评估表面下损伤的大小，也得到了广泛的研究。常见的包括全内反射显微镜（TIRM）、共焦激光扫描显微镜（CLSM）和相交偏振共焦显微镜（CPCM）。交叉偏振共焦显微镜等
d) 扫描声学显微镜
扫描声学显微镜（SAM）作为一种超声波检测方法，是一种广泛应用于检测内部缺陷的无损检测方法。该方法通常用于测量表面光滑的样品。当样品表面非常粗糙时，由于表面散射波的影响，测量精度会降低。
3 地下损伤控制方法
有效控制光学元件的亚表面损伤，获得完全去除SSDS的元件是我们的最终目标。一般情况下，亚表面损伤的深度与磨料粒径的大小成正比，磨料粒径越小，亚表面损伤越浅，因此，通过减小磨削粒度，充分磨削时，可以有效改善亚表面损伤程度。分阶段次表面损伤控制处理流程如下图所示：
分阶段控制地下损坏
第一阶段磨削将充分去除毛坯表面上的亚表面损伤，并在该阶段产生新的亚表面损伤，然后在第二阶段磨削中，需要去除第一阶段产生的SSD并产生新的亚表面损伤再次依次加工，并控制磨料的粒度和纯度，最终获得预期的光学表面。这也是光学制造数百年来遵循的加工策略。
另外，在磨削加工后，对构件表面进行酸洗，可以有效去除亚表面损伤，从而改善表面质量，提高加工效率。
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发布时间：2024年4月18日
