SiC光学材料亚表面缺陷的光热辐射检测

SiC以优异的物理性能和良好的工艺性能,逐渐成为大型空间成像光学系统主镜的首选轻量化光学材料.SiC镜坯制备及加工过程中引入的亚表面缺陷会严重影响最终的镜面质量以及光学系统的成像品质.针对SiC材料亚表面缺陷的检测问题,本文采用光热辐射技术进行分析:分别建立均匀样品的单层理论模型和含空气层缺陷的三层理论模型,用于计算无缺陷和存在缺陷区域的光热辐射信号.通过对三层理论模型信号的相位仿真分析,提出利用相位差-频率曲线的特征频率估算缺陷深度的经验公式;利用光热辐射装置测量存在亚表面缺陷的SiC样品,分析缺陷区域的光热辐射信号分布,利用经验公式计算缺陷深度,并与缺陷实际深度分布进行对比分析.实验与计算结果显示,光热辐射技术能有效探测SiC镜坯的亚表面缺陷及其形貌,并且对于界面与样品相对平行且较为平缓的亚表面缺陷,其缺陷深度可通过经验公式准确确定.

光学元件亚表面缺陷表征与检测技术研究现状分析(特邀)

光学元件常用脆性材料作为原材料,脆性材料加工过程中极易引入亚表面缺陷,亚表面缺陷对脆性材料的制造阶段和应用阶段均存在严重的危害。制造方面,亚表面缺陷影响工序的选择与衔接,易产生过加工、欠加工等问题,导致加工效率低下;应用方面,亚表面缺陷影响光学元件的成像质量、稳定性、使用寿命等关键技术参数。为了高效率、高质量地去除亚表面缺陷,全面表征和准确检测光学元件的亚表面缺陷至关重要。文中首先介绍了不同加工方式对应的亚表面缺陷形成机理与亚表面缺陷的表征方法研究现状;其次归纳总结了破坏性与非破坏性的亚表面缺陷检测方法,分别介绍了不同检测方法的原理、适用材料与加工阶段、优点与不足之处;并介绍了基于表面粗糙度、加工参数的亚表面缺陷预测方法;最后,对亚表面缺陷检测技术的发展趋势进行了展望。

光学元件亚表面缺陷的全内反射显微检测

光学元件亚表面缺陷的有效检测已成为高阈值抗激光损伤光学元件制造的迫切要求。基于全内反射照明原理开展了全内反射显微技术检测光学元件亚表面缺陷的实验研究。结果表明:全内反射显微技术可有效检测光学元件亚表面缺陷;入射光偏振态和入射角度会影响元件内界面下不同深度处驻波形式照明强度的分布,对于可见度发生明显改变的微小缺陷点能衡量出其一定的深度尺寸范围;利用显微镜精密调焦对界面下一定深度处缺陷成像,可知缺陷点的位置深度。

荧光成像技术无损探测光学元件亚表面缺陷

为了建立有效无损的亚表面缺陷探测技术,本文开展了光学元件亚表面缺陷的荧光成像技术研究,通过系统优化激发波长、成像光谱、成像光路及探测器等影响探测精度和探测灵敏度的参数,研制出小口径荧光缺陷检测样机。基于该样机对一系列精抛光熔石英和飞切KDP晶体元件的散射缺陷和荧光缺陷进行了表征,获得了各类样品亚表面缺陷所占的比重差异很大,从0.012%到1.1%不等。利用统计学方法分析了亚表面缺陷与损伤阈值的关系,结果显示,熔石英亚表面缺陷与损伤阈值相关曲线的R^2值为0.907,KDP晶体亚表面缺陷与损伤阈值相关曲线的R^2值为0.947,均属于强相关。该研究结果可评价光学元件的加工质量,用于指导紫外光学元件加工工艺,并且由于该探测技术具有无损、快速的特点,因此可应用于大口径紫外光学元件全口径亚表面缺陷探测,具有极其重要的工程意义。

光学元件亚表面缺陷结构的蚀刻消除

针对强激光光学元件的应用要求,对光学材料在研磨和抛光过程中形成的亚表面缺陷进行了分析,并借鉴小工具数控抛光和Marangoni界面效应,提出采用数控化学刻蚀技术来实现光学表面面形和微结构形貌的高精度加工,对亚表面缺陷具有很好的克服和消除作用。通过实验对亚表面缺陷的分布位置和特性进行了分析,同时实验验证了在静止和移动条件下Marangoni界面效应的存在,对材料的定量去除进行了实验,提出了亚表面缺陷的去除方法。

光学材料亚表面缺陷处强激光电磁场分布的3维模拟

利用时域有限差分法求解麦克斯韦旋度方程,研究了光学材料表面缺陷对入射激光场的调制作用,建立了亚表面缺陷的3维模型。以长方体表面缺陷为例,对缺陷附近的光场分布进行了3维数值计算,给出了电场强度3维分布图和缺陷不同尺寸时的最大电场强度。研究表明,相对于2维简化情况,3维表面缺陷对强激光电磁场的调制作用更加明显。

光学元件亚表面缺陷的损伤性检测方法

在磨削、研磨和抛光加工过程中产生的微裂纹、划痕、残余应力等亚表面缺陷会导致熔石英元件抗激光损伤能力下降,如何快速、准确地检测亚表面损伤成为光学领域亟待解决的关键问题。采用HF酸蚀刻法、角度抛光法和磁流变斜面抛光法对熔石英元件在研磨加工中产生的亚表面缺陷形貌特征及损伤深度进行了检测和对比分析,结果表明,不同检测方法得到的亚表层损伤深度的检测结果存在一定差异,HF酸蚀刻法检测得到的亚表面损伤深度要比角度抛光法和磁流变斜面抛光法检测结果大一些。且采用的磨粒粒径越大,试件表面及亚表面的脆性断裂现象越严重,亚表面缺陷层深度越大。

熔石英元件抛光加工亚表面缺陷的检测

亚表面缺陷的准确检测是进行亚表面损伤研究的前提和基础,对保证光学元件加工质量至关重要.基于HF酸化学蚀刻法对熔石英元件抛光加工产生的亚表面水解层、缺陷层深度和亚表面损伤形貌进行了定量检测,并利用X射线荧光光谱法研究了熔石英抛光试件杂质元素的种类和元素含量沿深度分布规律,提出了熔石英元件抛光加工亚表面损伤深度的判定方法.研究表明:由于水解层和亚表面缺陷层的存在,熔石英抛光试件的蚀刻速率随着时间的增加呈现递减的趋势,且在蚀刻的初始阶段蚀刻速率下降尤为明显;当蚀刻深度超过某一特定值后,全部或部分覆盖在水解层以下的缺陷层将会被完全蚀刻去除,蚀刻速率基本保持不变;另外,熔石英抛光试件存在多种形式的表面及亚表面缺陷,在不同蚀刻深度,亚表面损伤形貌、划痕的宽度和深度也存在一定的差异.

熔石英亚表面缺陷的研究进展

介绍了熔石英亚表面缺陷(SSD)的深度分布与粒径的量化关系及表面粗糙度的量化,以及杂质引起热破坏、裂纹导致电场增强、缺陷导致机械性能弱化3种诱导熔石英损伤的机理。还介绍了氢氟酸(HF)刻蚀和激光预处理2种非常有效的控制熔石英亚表面缺陷的技术,并对熔石英亚表面缺陷研究现状、存在问题和发展趋势进行了简要的总结和展望。

抛光石英玻璃亚表面缺陷研究

针对抛光石英玻璃表面经氢氟酸溶液刻蚀后,出现麻点、划痕等缺陷;本文对出现的亚表面缺陷进行了分类,并研究了各种缺陷经氢氟酸溶液刻蚀后形态变化;结合石英玻璃加工过程对各类亚表缺陷的成因进行了分析。

减少光学元件亚表面缺陷的方法研究

针对强激光光学元件的应用要求,对光学材料在研磨和抛光过程中形成的亚表面缺陷进行了分析,并借鉴小工具数控抛光和Marangoni界面效应,提出采用数控化学刻蚀技术来实现光学表面面形和微结构形貌的高准确度加工.通过实验对亚表面缺陷的分布位置和特性进行了分析,实验验证了在静止和移动条件下Marangoni界面效应的存在.对材料的定量去除进行了实验,提出了亚表面缺陷的去除方法.

功能梯度材料亚表面缺陷的热波多重散射问题

基于热传导波动模型,采用波函数展开法,研究了半无限功能梯度材料亚表面球形缺陷的热波多重散射。给出了热波散射的一般解。温度波由调制光束在材料表面激发,球形缺陷表面的边界条件为绝热,非均匀参数为指数函数变化。分析了结构几何参数和物理参数对温度分布的影响,并给出了温度变化的数值结果。本研究可为功能梯度材料的分析研究、物理反问题和红外热波成像等提供理论基础和参考数据。

半无限板条中任意形亚表面缺陷的热波散射

基于非傅里叶热传导方程,采用复变函数与保角映射方法,研究了半无限板条结构中任意形亚表面缺陷的热波的多重散射问题,给出了热波散射问题的一般解.温度波由调制光束在材料表面激发,缺陷表面的边界条件为绝热.分析了结构几何和物理参数对热波散射与温度分布的影响,并给出了温度变化的数值结果.分析方法和数值结果可为工程材料结构的热传导分析、热波成像、物理反问题和材料内部缺陷评估等提供理论基础和参考数据.

光学元件亚表面缺陷偏振双向反射分布函数

利用琼斯散射矩阵,借助右手正交基组来表示入射场和散射场,推导出光学元件亚表面缺陷或微粒在不同偏振状态下的双向反射分布函数的表达式。给出了亚表面缺陷在不同入射角条件下,不同偏振状态下的双向反射分布函数与散射方位角之间的关系,以及不同入射角下p偏振入射产生的p偏振双向反射分布函数的3维散射图。结果表明:p偏振入射产生的p偏振双向反射分布函数强烈依赖于入射角、散射角和方位角,且随着入射角的增加,其最小值点所对应的方位角逐渐减小。

导电结构亚表面缺陷电涡流/超声复合检测方法

针对导电结构体亚表面缺陷检测中单一检测方法准确率和检测范围有限等问题,研究电涡流与超声复合无损检测(NDT)方法.为了解决异源传感器复合过程中的证据冲突问题,充分发挥复合检测方法的优势,研究获取电涡流/超声检测基本概率分布、证据权重分配、证据融合以获得准确识别结果的技术,提出基于拟合方差的D-S证据理论的复合检测方法.为了降低拟合误差,防止过拟合,利用基于赤池信息量准则的正态拟合方法获得电涡流检测和超声检测的概率分布,用贝叶斯准则求取后验概率.根据电涡流和超声在检测中的适用性,以拟合方差对证据权重进行优化,利用D-S证据理论对后验概率密度进行融合,获得联合概率密度分布,求取电涡流/超声复合检测结果.

基于红外测温数据的亚表面缺陷的反演方法

热传导逆问题的研究是亚表面缺陷定量评估与识别的理论基础。本文基于非傅里叶热传导模型的正问题研究,即将材料亚表面温度的正问题计算结果作为实验测试数据,采用Levenberg-Marquart算法对半无限材料中圆柱绝热缺陷的逆问题进行了研究。分析讨论了初始假设、入射频率、热扩散长度等对反演结果的影响,并将LM算法与最速下降法、牛顿法等其他算法进行了比较。结果表明:初始假设参数不影响LM算法的有效性;入射频率、热扩散长度等物性参数仅会影响收敛速度的快慢,不影响反演结果的精确性;LM算法相较于最速下降法和牛顿法具有更大的收敛范围和更快的收敛速度。

磁光成像使亚表面缺陷探测可视化的研究

根据间歇式脉冲激励电涡流,以及法拉第磁光效应使反射光的偏振面发生偏转的原理,提出了一种磁光/涡流显微成像技术,目标是实现对亚表面细小缺陷的可视化无损检测。介绍了基本原理和新型传感器的设计,并通过实验与传统涡流传感器进行了比较。

亚表面缺陷的磁光/涡流成像检测技术研究

目前对精细表面下细小缺陷的无损探测已成为光电检测技术研究领域中的一项难题。根据法拉第电磁感应定律和磁光效应,提出了一种磁光/涡流成像技术,以实现对精细表面下细小缺陷的可视化实时无损检测。文章从基础理论着手,重点对磁光/涡流成像技术的光学系统、脉冲激励、图像采集处理等方面进行了创新和探索。

含双圆柱亚表面缺陷板条材料的表面温度分布

基于非傅里叶热传导方程,采用复变函数法和镜像法,研究了含双圆柱亚表面缺陷板条材料热波散射的温度场,并给出了热波散射温度场的解析解。分析了入射波波数、热扩散长度、缺陷的埋藏深度以及板条材料的厚度等对板条表面温度分布的影响。温度波由调制光束在材料表面激发,缺陷表面的边界条件为绝热。该分析方法和数值结果可为工程材料结构的传热分析、热波成像和材料内部缺陷评估,以及热物理反问题研究提供参考。

机械加工中亚表面缺陷对表面质量的影响

随着工业经济的快速发展,机械加工中亚表面缺陷对表面质量的影响越来越受到人们的关注。在机械材料存在较大缺陷的情况下,机械加工所引发的亚表面缺陷效应就会快速地体现出来。文章探讨了在机械加工中亚表面缺陷对表面质量的影响,并提出了有效的改进建议。