一种CO2激光-低压等离子体原位复合清洗大口径光学元件的方法与流程

本发明属于，更具体地说，本发明涉及一种co2激光-低压等离子体原位复合清洗大口径光学元件的方法。

背景技术：

1、在同步辐射光源(ssrf)、极紫外光刻(euv)、国际热核聚变实验堆(iter)、空间航天器、惯性约束聚变装置(icf)等大型精密复杂光学系统的长期运行过程中，大口径光学元件是传输、变频、滤波、聚焦光源的重要元器件。为了保证大口径光学的光源传输质量，光学系统中长期保持真空状态(10-3-10-6pa)。真空环境下光学系统中使用的结构件、密封橡胶圈、润滑油脂、真空泵会逐渐释放分子态污染物从表面解吸挥发到环境中，然后再逐渐扩散、团聚、沉降、吸附到大口径光学元件表面，在光学系统运行一段时间后光学元件形成表面的沉积，造成元件的光学性能显著下降，同时由于光学元件的面型发生改变会进一步导致光束质量的下降和表面场强的增强。随着大型精密复杂光学系统的各项性能指标不断提高，对大口径光学元件表面的洁净度要求也愈发苛刻，加之系统运行的稳定性逐渐降低。

2、当前，碳污染的大口径光学进行洁净维护还面临着诸多难题，一方面光学元件由于尺寸大、表面易损伤等原因在拆卸、运输、清洗和安装的时候操作难度较大，耗费时间长，严重降低了光学系统的运行效率。另外一个方面光学系统中空间环境复杂有限、光学元件尺寸大、光学表面易损伤等原因导致原位清洗技术需要同时满足清洗效率高和无损伤清洗。因此，国内外学者不断探索大口径光学元件表面有机污染物的原位去除手段，创新性提出了激光清洗、等离子体清洗、紫外线-臭氧清洗等原位清洗技术。其中，激光清洗作为一种高效清洗方式通过热吸收可以实现光学元件表面碳污染物的快速去除，但很容易过清洗对光学元件表面造成损伤。而等离子体清洗技术作为一种精密清洗方式通过物理化学反应可以实现光学元件表面痕量碳污染物的去除，但对光学元件表面大量的碳污染物清洗效率较低。紫外线-臭氧清洗虽然也具有一定的清洗效果，但是清洗效率、清洗过程不可控很难以在精密光学元件表面清洗中进行应用。因此，如果通过结合激光清洗和等离子体清洗的各自优点，从理论上可以实现大型精密复杂光学系统中大口径光学系统的原位洁净，但是这种复合清洗原理的理解、方法的设计、参数的选择和工艺的规划都非常具有挑战性。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

2、为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种co2激光-低压等离子体原位复合清洗大口径光学元件的方法，包括以下步骤：

3、步骤一、制备光学元件样品，对其进行污染处理，对污染前后的光学元件的性能参数进行测定；将污染后的光学元件安装在co2激光-低压等离子体复合清洗系统中，通过指示光和相机检测实现光学元件位置的定标；

4、步骤二、设计co2激光清洗路线，设定激光清洗参数，对光学元件进行co2激光清洗；

5、步骤三、对co2激光清洗后的光学元件的性能参数进行测定，与未污染和污染后的光学元件性能参数进行比较；

6、步骤四、设定低压等离子体清洗参数，对co2激光清洗后的光学元件进行低压等离子体清洗；

7、步骤五、对低压等离子体清洗后的光学元件的性能参数进行测定，与未污染、污染后和co2激光清洗后的光学元件性能参数进行比较；

8、步骤六、通过步骤三和步骤五中光学元件性能参数的比较，对步骤二中co2激光清洗参数和步骤五中低压等离子体清洗参数进行优化，以获得co2激光-低压等离子体原位复合清洗大口径光学元件的最佳清洗参数，按照最佳清洗参数对大口径光学元件进行复合清洗，以实现大口径光学元件的最佳清洗效果。

9、优选的是，所述大口径光学元件为镀二氧化硅增透膜的熔石英光学元件，其尺寸为430mm×430mm×10mm，二氧化硅增透膜的增透波段在351nm。

10、优选的是，所述步骤一中，光学元件样品是采用与大口径光学元件相同的基底和镀膜工艺制备得到的，其尺寸为50mm×50mm×5mm。

11、优选的是，所述步骤一中，污染处理为模拟高真空环境长期运行后光学元件表面的重污染状态，具体方法为：将光学元件放置在装有邻苯二甲酸二丁酯的烧杯上方，通过加热烧杯至100℃加速污染物的挥发，吸附到光学元件表面，光学元件两面均污染40s，污染后静置6h。

12、优选的是，所述光学元件的性能参数包括：透过率、表面润湿性和微观形貌。

13、优选的是，所述光学元件的性能参数的测定方法为：采用分光光度计测定透过率，采用接触角测试仪测定表面润湿性，采用原子力显微镜测定微观形貌。

14、优选的是，所述步骤二中，co2激光清洗路线为：在光学元件表面走“之”字形路线；激光清洗参数为：激光光束为一阶衍射光束，脉宽5～50μs，工作频率2000hz，峰值功率50w，移动速度80～100mm/s，光斑重叠率为0.3～0.7。

15、优选的是，所述步骤四中，低压等离子体清洗参数为：放电频率为10～30khz，功率为70～80w，清洗时间2～5min。

16、优选的是，所述co2激光-低压等离子体复合清洗系统，包括：

17、激光传输管道，其前侧可拆卸安装有密封窗口，所述激光传输管道与所述密封窗口合围形成密封环境，所述激光传输管道和所述密封窗口之间设置有用于安装固定光学元件的卡槽，且所述激光传输管道安装于二维移动平台上，通过所述二维移动平台使所述激光传输管道进行左右和上下移动；

18、ccd相机，其相对于激光传输管道设置，使其正对于光学元件前表面；

19、扫描振镜，其相对于激光传输管道设置，使其正对于光学元件前表面；

20、he-ne激光器，其用于输出可见光，可见光依次经过全反射镜、分光镜、全反射镜、扩束镜和扫描振镜，聚焦于光学元件表面，作为指示光；

21、co2激光器，其用于输出脉冲激光，脉冲激光依次经过声光调制器、分光镜、全反射镜、扩束镜和扫描振镜，聚焦于光学元件表面，对光学元件进行co2激光清洗；

22、声光调制器，其与信号发生器连接，用于对co2激光器输出的脉冲激光进行转化；

23、四个等离子体放电电极，其环绕设置于密封窗口四侧；

24、低压等离子体控制系统，其与激光传输管道连接；

25、低压等离子体放电系统，其与四个等离子体放电电极连接；

26、co2激光清洗控制系统，其与ccd相机、二维移动平台、扫描振镜、he-ne激光器、信号发生器、co2激光器分别连接。

27、优选的是，所述co2激光器输出波长为10.6μm的脉冲激光，激光光束为高斯形状，最大输出功率为100w，工作频率为2000hz。

28、本发明中，高真空环境为10-3～10-6pa，碳污染物采用邻苯二甲酸二丁酯，具有芳香烃结构和烷烃支链，污染物的理化特性具有一般代表性；光学元件表面重污染状态的模拟通过加热含有碳污染物的烧杯进行熏蒸，分子态污染物在光学元件表面会快速扩散形成均匀的碳污染物层；co2激光清洗后的光学元件需要放在洁净样品盒中静置6h，让光学元件表面残留的碳污染物自由扩散再次达到平衡状态，然后将光学元件再次安装在激光传输管道上的卡槽中，安装过程中通过限位结构锁紧，以实现每一次光学元件安装位置相同。

29、本发明至少包括以下有益效果：本发明的co2激光-低压等离子体原位复合清洗大口径光学元件的方法，通过光学元件对co2激光的热吸收效应粗清洗光学元件表面有机污染物，再通过低压等离子体与有机污染物的物理化学作用精清洗光学元件表面，在提高大口径光学元件表面有机污染物去除效率的同时避免了光学元件表面出现损伤的风险。该复合清洗方法可以实现大口径光学元件原位高效无损伤清洗，不受光学元件面型、尺寸和表面膜层材质的影响，有效解决了激光清洗精密光学元件时表面易损伤和低压等离子体清洗效率低的难题，为大型精密复杂光学系统中大口径光学元件的原位洁净维护提供了一种主动洁净方法，保障了光学系统的长期高效稳定运行。

30、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。