光学元件亚表面损伤检测方法综述
作者及机构
本文由Yana Cui（长春理工大学电子信息工程学院）、Chunyang Wang（长春理工大学/西安工业大学西安主动光电成像检测技术重点实验室）、Xuelian Liu（西安工业大学）、Yajie Wu、Zhengze Li、Rong Li及Wen He共同完成，发表于2023年6月的《AIP Advances》期刊（Volume 13, 060702），DOI: 10.1063⁄5.0151498。
研究背景与目标
随着激光聚变装置、天文望远镜等高能光学系统的快速发展，光学元件的亚表面损伤（Subsurface Damage, SSD）成为制约系统性能的关键因素。SSD指加工过程中在近表面区域产生的裂纹、变形及污染等缺陷，会降低元件的激光诱导损伤阈值（LIDT），影响成像稳定性。本文系统综述了2018-2023年间SSD检测技术的原理、特点及研究进展，旨在为光学制造领域提供技术参考，并展望未来发展趋势。
主要观点与论据
SSD的形成机制与模型
- 理论模型：基于断裂力学理论，SSD的形成与磨削过程中的临界载荷（如式1所示）和横向裂纹生成条件（如式2所示）密切相关。美国劳伦斯利弗莫尔实验室提出的SSD三层模型（表面再沉积层、缺陷层和变形层）被广泛引用（图1）。
- 实验验证：Wang等通过角度抛光法结合有限差分模拟，证实了SSD形貌对激光损伤阈值的调制效应（Appl. Opt., 2019）。
破坏性检测方法
- 抛光检测法：通过斜面或凹面抛光暴露SSD（图2-3），利用显微镜观测缺陷深度（式3-5），但仅能获取局部二维信息。
- 界面结合法：将两个抛光元件粘合后分离，观察断面缺陷（图4），但无法定量分析（Yin博士论文, 2020）。
- 透射电镜（TEM）：可达到原子级分辨率（图6），但样品制备复杂（需减薄至 μm），成本高昂（Lin et al., Diamond Relat. Mater., 2018）。
- 腐蚀法：化学腐蚀（如KOH熔融腐蚀）会扩大裂纹尺寸（Ma et al., J. Synth. Cryst., 2019），而离子束蚀刻（IBE）精度高但效率低（Zhang et al., Int. J. Extreme Manuf., 2021）。
非破坏性检测方法
- 预测模型：基于加工参数（如磨粒尺寸）或表面粗糙度建立理论模型。例如，Xiao等通过离散元模拟预测硫化锌的SSD深度（Ceram. Int., 2021），误差仅8%（图8）。
- 光学相干色谱（OCT）：Frank等采用全场OCT（FF-OCT）实现亚微米级分辨率成像（像素0.875 μm），但受表面散射信号干扰（Appl. Opt., 2021，图10）。
- X射线衍射（XRD）：掠入射XRD（GIXRD）可检测晶体材料的晶格错位结构（Zhang et al., Opt. Mater. Express, 2022，图11），但无法区分缺陷类型。
- 激光散射技术：
- 全内反射显微镜（TIRM）：需元件表面低粗糙度（Ni et al., Appl. Sci., 2019，Z轴精度1 μm）。
- 偏振激光散射（PLS）：通过偏振态变化分离表面与亚表面信号（Bai et al., J. Mater. Process. Technol., 2020），径向分辨率0.57 μm。
- 荧光显微法：量子点标记（Williams et al., Appl. Opt., 2009）或有机染料（如R6G）可增强SSD信号，但成像分辨率仍为微米级（Li et al., Laser Optoelectron. Prog., 2019）。
技术对比与挑战
- 破坏性方法（表1）：可靠性高但无法在线检测，适用于工业质检（如抛光检测法）。
- 非破坏性方法（表2）：如OCT和PLS可实现三维形貌重建，但分辨率与成本需平衡。荧光法的标记特性影响精度，而XRD对厚损伤层检测受限。
研究意义与价值
本文首次系统梳理了近五年SSD检测技术的进展，指出破坏性方法在工业验证中的不可替代性，而非破坏性方法（如PLS、OCT）因在线检测潜力成为未来重点。尤其强调量子点标记和计算成像（如3D重构算法）的创新价值（Xiao et al., J. Opt., 2023）。
亮点与前瞻
- 方法学创新：如GIXRD对单晶材料的深度表征模型（式6）、DFCM矢量光束照明技术提升横向分辨率30%（Liu et al., Opt. Express, 2022）。
- 应用导向：针对高功率激光器（如NIF装置）和空间望远镜的SSD控制需求，提出多传感器融合检测（Sun et al., Photonix, 2022）是未来趋势。
本文为光学制造领域提供了技术路线图，并为后续研究指明了精度提升（如纳米级检测）与自动化集成的发展方向。