本發(fā)明屬于激光技術領域，涉及一種激光晶體刻蝕方法，尤其是涉及一種氟化鈣激光晶體的離子束刻蝕方法，尤其是針對高功率激光用的低吸收、低亞表面損傷的高質量激光晶體。

背景技術：

氟化鈣晶體在紫外波段具有良好的光學性能，并且氟化鈣晶體單晶尺寸大、機械性能和化學性能穩(wěn)定，使其成為優(yōu)良的激光晶體和紫外激光光刻技術的最佳選擇材料。隨著激光技術的快速發(fā)展，氟化鈣晶體被認為有可能部分替代釹玻璃，成為高功率激光技術的重點候選材料。然而，不斷提升的輸出功率要求氟化鈣晶體具備更好的表面質量，以適應逐步提升的抗激光損傷性能、環(huán)境穩(wěn)定性及使用壽命的使用要求。

氟化鈣晶體目前主要采用傳統的研磨和化學機械拋光過程加工而成，但由于氟化鈣晶體硬度小、且熔點低、熱膨脹系數高，導致在研磨和拋光過程中易產生表面結構性缺陷和殘留物嵌入，形成亞表面缺陷。在高功率激光輻照下，亞表面層中的雜質缺陷強烈吸收激光，導致激光晶體的損傷。此外，氟化鈣晶體表面具有微潮解特性，導致后期清洗、保存不當產生表面的反應層，影響晶體光譜透射特性。

為了提升氟化鈣激光晶體的抗激光損傷性能，現有方法通常是在基板清洗后通過酸刻蝕、干法刻蝕的方法去除亞表面缺陷層，然而對于氟化鈣激光晶體的刻蝕方法研究僅僅局限于刻蝕技術對晶體表面微觀結構的影響，針對高功率激光應用的研究幾乎空白。專利申請201510280250.x提出了一種激光薄膜用光學玻璃基板的離子束刻蝕裝置及方法，采用石英工裝、優(yōu)化刻蝕工藝，有效提高了激光薄膜的損傷閾值。然而，這種刻蝕裝置和方法僅針對石英玻璃，不適合氟化鈣激光晶體，根據氟化鈣晶體熱膨脹系數大、表面易于氧化、選擇性刻蝕等特點，必須開發(fā)獨特的離子束刻蝕方法。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服現有離子束刻蝕方法存在的缺陷而提供一種氟化鈣晶體的離子束刻蝕裝置及方法，能夠獲得低吸收、低表面損傷的氟化鈣晶體。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種氟化鈣晶體的離子束刻蝕裝置，位于鍍膜機內，包括離子源、刻蝕工裝、角度調整機構和中和器，所述角度調整機構與刻蝕工裝連接，所述刻蝕工裝固定于離子源和中和器之間的上方，所述刻蝕工裝包括石英底盤和不銹鋼工裝，所述刻蝕工裝還包括循環(huán)冷卻水供給機構，所述石英底盤表面鍍有mgf2薄膜。

進一步地，所述mgf2薄膜的厚度為3μm以上。

一種采用上述氟化鈣晶體的離子束刻蝕裝置實現的離子束刻蝕方法，包括以下步驟：

1)將石英底盤放置入不銹鋼工裝內，調整刻蝕工裝角度，并使刻蝕工裝固定于離子源與中和器之間的正上方；

2)對拋光后的氟化鈣晶體進行超聲清洗；

3)將超聲清洗后的氟化鈣晶體放置于刻蝕工裝中，關上鍍膜機門，工裝靜止，抽真空，開啟刻蝕工裝的循環(huán)冷卻水供給機構；

4)待鍍膜機內真空抽至4×10^-4pa，開啟離子源，向鍍膜機內充入氪氣作為刻蝕氣體；

5)調整離子源工作參數，待離子源工作穩(wěn)定后，開啟離子源擋板，讓離子束均勻輻照氟化鈣晶體表面，開始離子束刻蝕；

6)刻蝕結束后，關閉離子源，待鍍膜機內溫度降低至35攝氏度后，向鍍膜機內充入氮氣，開門取出氟化鈣晶體。

進一步地，所述刻蝕工裝角度的角度調整范圍為0～50度。

進一步地，所述步驟2)具體為：

利用1:1混合的無水酒精和高純丙酮溶液在30℃下清洗拋光后的氟化鈣晶體3～5分鐘，同時加載超聲波的多頻循環(huán)振動。

進一步地，所述離子源工作參數具體為：離子源電壓為400～700v，離子束流為300～700ma。

進一步地，所述步驟4)中，離子束刻蝕的時間為10～30分鐘，刻蝕深度0.5～2μm。

與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明刻蝕工裝還包括循環(huán)冷卻水供給機構，在刻蝕過程中以循環(huán)冷卻水冷卻工裝，保持較低溫度，不容易出現邊緣碎裂和整體斷裂等現象，防止晶體表面微結構的出現。

2、本發(fā)明采用采用表面鍍mgf2薄膜的石英工裝，有效減小氟化鈣晶體表面氧化。

3、本發(fā)明可以通過調整傾斜角度進行離子束刻蝕，減小表面粗糙度。

4、本發(fā)明利用大原子序數的氪氣作為刻蝕氣體，可以提高離子束能量，實現高刻蝕效率，保持低表面粗糙度，防止晶體表面氧化。

5、本發(fā)明針對氟化鈣晶體的硬度小、熱膨脹系數大和材料表面微潮解等特性設計，工藝針對性強，效果明顯。

附圖說明

圖1為本發(fā)明刻蝕過程示意圖；

圖2為原子力顯微鏡圖，其中，(2a)為離子束刻蝕前晶體表面，(2b)為離子束刻蝕后晶體表面；

圖3為本發(fā)明方法和之前方法離子束刻蝕后晶體光譜測試結果示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例以本發(fā)明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

本發(fā)明提供一種氟化鈣晶體的離子束刻蝕裝置，位于鍍膜機內，包括離子源、刻蝕工裝、角度調整機構和中和器，角度調整機構與刻蝕工裝連接，刻蝕工裝固定于離子源和中和器之間的上方，刻蝕工裝包括石英底盤、不銹鋼工裝和循環(huán)冷卻水供給機構，石英底盤表面鍍有3μm以上的mgf2薄膜。

如圖1所示，采用上述氟化鈣晶體的離子束刻蝕裝置實現的離子束刻蝕方法，包括：

在步驟s101中，將石英底盤放置入不銹鋼工裝內，調整刻蝕工裝角度，角度調整范圍為0～50度，使得離子束入射角度在30～50度之間，并使刻蝕工裝固定于離子源與中和器之間的正上方；

在步驟s102中，對拋光后的氟化鈣晶體進行超聲清洗，具體為：利用1:1混合的無水酒精和高純丙酮溶液在30℃下清洗拋光后的氟化鈣晶體3～5分鐘，同時加載超聲波的多頻循環(huán)振動，本實施例中所采用高純指純度大于98％；

在步驟s103中，將超聲清洗后的氟化鈣晶體放置于刻蝕工裝中，關上鍍膜機門，工裝靜止，抽真空，開啟刻蝕工裝的循環(huán)冷卻水供給機構；

在步驟s104中，待鍍膜機內真空抽至4×10^-4pa，開啟離子源，向鍍膜機內充入氪氣作為刻蝕氣體，氪氣的真空度范圍為1.0×10^-2pa～1.6×10^-2pa；

在步驟s105中，調整離子源電壓為400～700v，離子束流為300～700ma，待離子源工作穩(wěn)定后，開啟離子源擋板，讓離子束均勻輻照氟化鈣晶體表面，開始離子束刻蝕，離子束刻蝕的時間為10～30分鐘，刻蝕深度0.5～2μm；

在步驟s106中，刻蝕結束后，關閉離子源，待鍍膜機內溫度降低至35攝氏度后，向鍍膜機內充入氮氣，開門取出氟化鈣晶體。

以nd,y:caf2激光晶體的原位離子束刻蝕為例進一步說明上述方法。將nd,y:caf2激光晶體放置入石英刻蝕工裝，刻蝕工裝距離離子源40cm，工裝傾斜角度為30度，移去離子源和中和器的蓋子。關上鍍膜機門，抽真空，待鍍膜機內真空抽至4×10^-4，開啟離子源，充入氪氣作為工作氣體；離子源加速電壓不斷增大至600v，離子源束流增加至500ma，待離子源工作穩(wěn)定后，開啟離子源擋板，讓離子束均勻輻照刻蝕工裝內的光學基板表面，開始離子束刻蝕，經過20分鐘后刻蝕結束，關閉離子源，待鍍膜機內溫度降至35攝氏度后，給鍍膜機充氮氣，待鍍膜機內氣壓恢復到大氣壓后，打開鍍膜機門，將激光晶體從刻蝕工裝中取下。

采用光學輪廓儀測量刻蝕形成的臺階高度，刻蝕深度為800nm左右，運用原子力顯微鏡觀測了刻蝕前后基板表面的顯微形貌，表明刻蝕前表面粗糙度較小，為0.32nm，但有亞表面缺陷層；而刻蝕后雖然表面粗糙度增加到0.78nm，但吸收較強的亞表面缺陷層已經去除，如圖2所示。

進一步對氟化鈣晶體進行光譜測試，在圖3中給出，可以看到本發(fā)明方法刻蝕后紫外區(qū)透射率幾乎沒有變化，而采用之前離子束刻蝕工藝(專利申請[201510280250])后反應產生較多氧化鈣，透射率下降10％。

以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據本發(fā)明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發(fā)明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。