基于偏振激光共聚焦的研磨石英玻璃亞表面損傷檢測

白 倩，馬 浩，殷景飛

（1.大連理工大學 精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016）

1 引 言

石英玻璃是由二氧化硅單一成分構成的特種玻璃，屬于硬脆材料，具有化學性能穩定、透光性好、耐高溫、耐輻射和抗激光損傷能力強等特點，在半導體、光通訊、光伏、航空航天和軍事設備等領域得到了廣泛應用［1］。研磨是光學器件制造中獲得高質量表面的關鍵技術。石英玻璃在研磨加工過程中不可避免地引入亞表面損傷，亞表面損傷會嚴重影響光學系統的性能指標，甚至會使系統失效。研磨過程中引入的亞表面損傷也直接決定了下一步工序的去除量和加工效率［2-3］。因此，檢測石英玻璃研磨過程中引入的亞表面損傷，能夠指導優化加工工藝，對于提高石英玻璃的加工質量和加工效率意義重大。

硬脆材料的亞表面損傷檢測主要分為有損檢測方法和無損檢測方法。有損檢測方法是通過局部或全部破壞材料，使亞表面損傷暴露以便于顯微觀測，進而獲得材料的損傷信息。有損檢測包括角度拋光法［4］、橫截面顯微法［5］、磁流變拋光觀測法［6］和恒定化學蝕刻速率法［7］等。然而，有損檢測方法無法集成在線檢測，整體生產效率會降低，而且受實驗條件和操作者經驗的影響很大，相同的方法不同試驗者得出的結果有一定的差異。目前，國內外尚未提出硬脆材料有損檢測方法的標準或規范［8］。無損檢測方法不破壞檢測試樣，借助于光學、電學等原理實現亞表面損傷檢測。它可以實現在線檢測，效率更高，可以實時檢測加工元件的亞表面損傷分布情況，為加工工藝的優化提供指導，同時能夠大幅縮短整個生產周期，提高產能和效益，所以無損檢測是硬脆材料亞表面損傷檢測的發展方向。

硬脆材料的亞表面無損檢測方法主要包括偏振激光散射法［9-10］、光學相干層析法［11］、激光散射共聚焦法［12-13］、全內反射顯微法［14］和掃描超聲檢測法［15］等。其中，偏振激光散射法能夠快速檢測全局，對表面粗糙度要求較低，但不能給出損傷的三維分布，分辨率低；光學相干層析法能夠檢測全局損傷，但干涉圖像處理困難，表面粗糙度對檢測結果影響大；激光散射共聚焦法能夠檢測全局，得到損傷的三維分布，分辨率高，探測靈敏度高，但無法檢測表面粗糙的零件；全內反射顯微法能夠快速檢測零件的全局損傷，不過對于損傷大小及深度檢測困難，對表面粗糙度要求很高，適用于拋光加工試樣檢測；掃描超聲檢測法檢測效率高，深度方向分辨率高，但表面粗糙度要求高，橫向分辨率不高。

激光散射共聚焦法可以得到高分辨率的檢測結果［13］，但是對樣品表面粗糙度要求高，通常適用于拋光表面的亞表面損傷檢測，表面粗糙度Ra一般要求小于0.001μm［16］。而研磨石英玻璃的表面粗糙度較高，通常為0.2μm左右［17］，難以采用光學相干層析法、激光散射共聚焦法和全內反射顯微法進行測量。偏振激光散射法對表面粗糙度的要求低［18］，Yin等人［19］利用該方法對磨削硅片亞表面損傷進行檢測，然而，該方法采用顯微物鏡檢測亞表面損傷，檢測區域為整個聚焦光束區域，不具有層析功能，不能實現損傷的三維檢測，難以獲得具體的裂紋構型和裂紋分布。本文結合偏振激光散射法和激光散射共聚焦法的優勢，提出偏振激光共聚焦檢測方法，利用共聚焦原理對亞表面損傷處的偏振散射光進行檢測，實現了研磨石英玻璃亞表面損傷的高分辨率檢測。搭建了偏振激光共聚焦檢測系統，通過對檢測信號進行圖像處理，得到亞表面損傷在研磨石英玻璃試樣截面上的分布。通過對比橫截面顯微有損檢測結果與偏振激光共聚焦無損檢測結果，驗證該無損檢測方法的可行性。

2 檢測原理

偏振激光共聚焦檢測原理如圖1所示。激光器發射的線偏振光（P光）經過擴束鏡后到達偏振分光棱鏡（PBS），PBS具有偏振選擇的作用，P光完全通過，經過反射鏡、顯微物鏡后照射到材料表面。一部分發生反射以及單次散射（圖2），表面的反射光以及散射光具有與入射光相同的偏振特性，為P光，按照原光路返回，經過反射鏡到PBS，通過PBS，不被探測器接收；另一部分P光穿透表面，經過亞表面損傷多次散射后，偏振狀態發生改變，變成部分偏振光［20］，經過顯微物鏡及反射鏡，P光通過PBS，其余部分偏振光被PBS反射，經過偏振鏡提純和成像透鏡聚焦后，S光通過針孔被系統探測器接收。因此，該方法排除了表面反射光及散射光的影響，探測器接收的S光信號包含了亞表面損傷的信息。

圖1 偏振激光共聚焦系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of polarized laser confocal sys‐tem

圖2 偏振激光散射示意圖Fig.2 Schematic diagram of polarized laser light scat‐tering

系統中成像透鏡和顯微物鏡的焦點形成共軛，利用針孔實現點對點檢測。來自顯微物鏡聚焦點的散射光通過探測針孔被探測器接收，顯微物鏡聚焦點以外的散射光被針孔阻擋，因此采用共聚焦系統提高了檢測的分辨率。通過精密移動工作臺帶動試樣移動，改變顯微物鏡焦點在試樣中的不同位置，由此可以獲得試樣的亞表面損傷三維信息。

共聚焦系統在檢測時具有較高的分辨率，根據共聚焦理論可知，共聚焦系統的徑向分辨率和軸向分辨率如下［21］：

式中：λ是激光波長；NA是物鏡的數值孔徑；Δx是徑向分辨率；Δz是軸向分辨率。

3 實 驗

3.1 試樣制備

試樣為雙面光學級拋光的JGS1石英玻璃基片，直徑為25 mm，厚度為2 mm。研磨實驗采用HD-380X研磨機，研磨方式為游離磨料研磨，研磨盤為鑄鐵盤，研磨液為金剛石研磨液。為了研究偏振激光共聚焦方法檢測研磨石英玻璃亞表面損傷的可行性，采用多組實驗進行對比驗證。石英玻璃研磨中，磨粒粒度、研磨盤硬度、研磨壓力和研磨盤轉速等參數會影響亞表面損傷深度。其中，磨粒粒度對亞表面損傷深度及表面粗糙度的影響最為顯著［22］，通過選用不同粒度的磨粒進行石英玻璃研磨，可以獲得亞表面損傷及表面粗糙度范圍較大的試樣。因此，本文采用不同磨料粒度對石英玻璃進行研磨，固定其他研磨參數（表1），研究不同亞表面損傷條件下偏振激光共聚焦方法的可行性。磨料粒度分別是20，40，60，80μm，分為4組進行實驗，實驗結束后對試樣表面進行超聲清洗吹干。

表1 研磨實驗參數Tab.1 Lapping experimental parameters

采用NewView9000型3D表面形貌儀對4組研磨實驗樣品進行表面粗糙度測量，結果如表2所示。

表2 不同磨粒粒度下研磨石英玻璃的表面粗糙度Tab.2 Surface roughness of ground quartz glass with dif‐ferent particle sizes

3.2 無損檢測裝置搭建

基于偏振激光共聚焦的檢測原理，搭建研磨石英玻璃亞表面損傷檢測裝置（圖3），關鍵部件如表3所示。偏振激光波長為0.914μm，物鏡數值孔徑為0.7，由式（1）和式（2）得到該系統的徑向分辨率為0.57μm，軸向分辨率為0.70μm。

圖3 基于偏振激光共聚焦檢測研磨石英玻璃亞表面損傷的實驗裝置Fig.3 Experimental devices for detecting subsurface damage of lapped quartz glass based on polarized laser confocal technology

表3 偏振激光共聚焦系統的關鍵部件Tab.3 Key components of polarized laser confocal system

3.3 偏振激光共聚焦法檢測研磨石英的亞表面損傷

亞表面損傷在深度上的分布影響著石英玻璃的加工工藝，因此采用先縱向再水平的掃描方式檢測損傷在深度方向上的分布。如圖4所示，將研磨石英玻璃試樣置于精密移動平臺上，通過LabVIEW控制精密移動平臺移動，使得聚焦光穿過表面，在研磨石英玻璃內部對垂直于研磨表面的一個面內進行掃描，光電探測器同時接收掃描面內的散射光強信號，進而轉換成為電壓信號，然后經過計算機處理得到掃描面內的亞表面損傷信號分布。本文中行程I長100μm。914 nm波長激光經過聚焦透鏡后，中心衍射斑的直徑為0.8μm，因此步長H設為0.8μm。對Lab‐VIEW采集的信號進行拼接，獲得研磨石英玻璃的亞表面損傷分布，從而確定每個磨料粒度下的亞表面損傷情況。

圖4 掃描方式Fig.4 Schematic diagram of scanning mode

如圖5所示，由于石英玻璃折射率的影響，當精密移動平臺移動的距離為Δ時，激光聚焦點到試樣表面的距離為：

圖5 精密移動平臺移動距離與損傷深度的關系示意圖Fig.5 Schematic diagram of relationship between move‐ment distance of precision table and depth of sub‐surface damage

式中：n為光線在試樣中的折射率；θ1為物鏡的孔徑角。波長914 nm的偏振激光在石英玻璃中的折射率為1.45，物鏡的孔徑角為19°，可以得到精密移動平臺移動距離與亞表面損傷實際深度的關系為：

3.4 橫截面顯微法檢測亞表面損傷

為了驗證上述無損檢測方法對檢測研磨石英玻璃亞表面損傷的可行性，采用橫截面顯微法檢測相同的試樣，檢測亞表面損傷深度和裂紋構型，如圖6所示。利用WXD型線切割機將相同的研磨石英玻璃沿直徑方向切割成面積相等的4個小扇形，使得亞表面暴露出來；利用雙面拋光的石英玻璃做貼片保護，采用樹脂膠固化24 h，用于阻止橫截面研磨及拋光時原有損傷的擴展；然后，采用400號、800號、1000號、2000號砂紙在ZYP230型研拋機上對試樣進行研磨，去除切割產生的加工損傷；選用粒徑為10 nm、濃度為20%的硅溶膠作為拋光液，對研磨過后的試樣拋光2 h；采用濃度為20%的HF溶液腐蝕30 s，利用超凈水沖洗掉腐蝕液，吹干；最后，采用VHX-600E型超景深光學顯微鏡觀測，得到亞表面裂紋構型及亞表面損傷深度等信息。

圖6 橫截面顯微法示意圖Fig.6 Schematic diagram of cross-section microscopy method

4 實驗結果與分析

偏振激光共聚焦系統對不同磨料粒度研磨的石英玻璃進行檢測，得到的亞表面損傷信號分布如圖7所示。信號值的大小與裂紋的傾角和寬度有關系，當裂紋的傾角增大、寬度增大時信號值也增大［23］。隨著磨料粒度的增加，信號的分布范圍變大，亞表面損傷的情況也越嚴重。

圖7 不同磨料粒度下研磨石英玻璃的亞表面損傷信號分布Fig.7 Subsurface damage signal distribution of quartz glass lapped with different abrasive sizes

共聚焦系統檢測到亞表面損傷時，信號的分布為高斯分布［24］，在亞表面損傷處的信號值最大，遠離亞表面損傷時信號值逐漸減小，如圖8所示，信號波峰所在的位置即亞表面損傷所在的位置。對圖7進行圖像處理，獲取信號波峰的位置，即可得到亞表面損傷分布，圖像處理算法為：

圖8 檢測信號與亞表面損傷的位置關系Fig.8 Relationship between detection signal and location of subsurface damage

式中：f(x，y)為原圖像的像素值；h(x，y)為圖像在列方向尋找波峰后的像素值；m(x，y)為圖像在行方向尋找波峰后的像素值；g(x，y)為圖像處理后的像素值。對圖7進行圖像處理，設置信號波峰的位置像素大于0，其余位置像素為0，獲得亞表面損傷分布，如圖9所示。

圖9中，距離表面較近位置處的亞表面損傷多為橫向裂紋，距離表面較遠位置處的亞表面損傷多為斜線狀的中位裂紋。隨著磨料粒度的增大，圖中裂紋數增多，亞表面損傷深度也增加。在同一樣品中對隨機3個區域進行亞表面損傷深度的統計，根據式（4），考慮折射率的影響，磨料粒度為20，40，60，80μm時研磨石英玻璃的平均亞表面損傷深度分別為12.7，17.4，20.0，32.9 μm。

為了驗證偏振激光共聚焦檢測結果的準確性，對石英玻璃亞表面損傷進行橫截面顯微法有損檢測。圖10（a）~10（d）分別是超景深光學顯微鏡下不同磨料粒度研磨石英玻璃的橫截面顯微圖。距離表面較近位置處的裂紋構型為橫向裂紋，較遠位置處的裂紋構型為斜線狀的中位裂紋，與偏振激光共聚焦檢測結果相一致。圖9中的亞表面損傷分布比圖10中的亞表面損傷分布更加密集。其主要原因是采用橫截面顯微法有損檢測時，在拋光及腐蝕過程中對試樣近表面裂紋產生了二次損傷，相鄰裂紋聚合成為粗大裂紋，裂紋數目減少，如圖10所示。

圖9 不同磨料粒度下研磨石英玻璃的亞表面損傷分布Fig.9 Subsurface damage distribution of quartz glass lapped with different abrasive sizes

圖10 不同磨料粒度下研磨石英玻璃的橫截面顯微圖Fig.10 Cross section micrograph of lapped quartz glass lapped with different abrasive particle sizes

在同一樣品中對隨機3個區域進行橫截面顯微檢測，4種金剛石研磨液研磨石英玻璃的平均亞表面損傷深度分別為12.4，16.6，19.2，32.4 μm。偏振激光共聚焦法與橫截面顯微法檢測亞表面損傷深度的結果對比如圖11所示。4種磨料粒度下無損檢測方法與有損檢測方法的相對誤差分別為2.4%，4.8%，4.1%，1.5%。因此，本文提出的偏振激光共聚焦無損檢測方法是可行的。

圖11中，偏振激光共聚焦法檢測的亞表面損傷深度略大一些，這是由于亞表面裂紋在材料內部存在三維形貌，而橫截面顯微法只能獲得裂紋在一個截面內的信息，但該裂紋的最深處并不一定是在該截面上。采用偏振激光共聚焦法檢測時，因為存在軸向分辨率的影響，周圍的裂紋信息會體現在掃描面的信號中。另外，由于式（5）~式（7）過高地判斷了亞表面損傷的深度，所以偏振激光共聚焦技術檢測得到的亞表面損傷深度比橫截面顯微法檢測得到的損傷深度略大一些。

圖11 亞表面損傷深度檢測結果對比Fig.11 Comparison of detection results of subsurface damage depth

5 結 論

本文結合偏振激光散射法和激光散射共聚焦法，提出了基于偏振激光共聚焦的研磨石英玻璃亞表面損傷無損檢測方法，并搭建了偏振激光共聚焦系統。對石英玻璃進行不同磨粒粒度條件下的研磨，獲得的表面粗糙度Ra為0.46~1.22μm。采用偏振激光共聚焦系統實現了研磨石英玻璃亞表面損傷的無損檢測。基于共聚焦系統檢測特點對信號進行處理，獲得亞表面損傷分布，實現了亞表面裂紋構型以及亞表面損傷深度的檢測。采用橫截面顯微有損檢測法對同一批石英玻璃進行對比實驗，兩種檢測方法得到的亞表面裂紋構型一致，亞表面損傷深度的相對誤差在5.0%以內。由此表明，偏振激光共聚焦無損檢測方法可實現研磨石英玻璃亞表面損傷的定量、非破壞檢測。