基于准布鲁斯特角法的激光晶体抛光表面和亚表面质量的测量方法研究与系统开发-天津大学微纳光学测控实验室

基于准布鲁斯特角法的激光晶体抛光表面和亚表面质量的测量方法研究与系统开发

以钇铝石榴石（YAG）、钆镓石榴石（GGG）和氧化镥（Lu₂O₃）为代表的的激光晶体具有优异的光学、热学、电学等本征优势，目前已在高功率固体激光器、脉冲激光器、高能辐射探测、商用发光器件、低维材料衬底等领域得到广泛研究与应用。原子级光滑表面和无亚表面损伤的晶体材料是实现光电器件预期性能的重要保障。然而，目前关于抛光过程中激光晶体表面和亚表面质量的高效快速、同步检测手段缺乏，导致表面完整性的演变机理尚未阐明，进而阻碍对加工机理的深入理解与相关新型器件的应用。

课题组为解决超精密制造领域抛光表面和亚表面损伤高效、高精度表征的迫切需求，创新性提出并发展了基于准布鲁斯特角法(qBAT)的激光晶体抛光表面和亚表面质量的高灵敏度、高精度同步检测技术，并自主开发了满足对应需求的可变角度激光椭偏测量系统。首先，针对精抛光和化学机械抛光Lu₂O₃单晶的表面完整性进行研究。发现在所采用抛光工艺条件下，表面质量指标（slope）揭示出表面粗糙度的亚纳米级提升过程，说明该方法的高灵敏度；亚表面损伤指标（qBAS）接近理想值且保持稳定，反映出该工艺能获得较小亚表面损伤晶体，但无法进一步提升亚表面质量，如图1所示^[1]。

为突破常规qBAT只适用于高表面完整性样品的测量局限性，课题组通过设计晶体加工方案获得一系列具有不同表面和亚表面质量的粗抛和精抛GGG晶体，并对其表面和亚表面质量进行系统性表征。首次发现slope先下降再上升的变化趋势，反映了从粗抛到精抛过程中表面凹坑形貌的变化，如图2所示^[2]。该结果验证了qBAT在粗抛和精抛阶段的可行性，将其适用范围拓展至粗抛阶段。

为深入研究粗抛前期qBAT测量结果趋势并揭示YAG单晶抛光过程中表面和亚表面演变机理，课题组通过优化损伤晶体光学模型，完善了布鲁斯特角附近椭偏参数与表面和亚表面质量之间的相关性。qBAS的单调性揭示了亚表面损伤的递减特征，而slope的振荡则反映了抛光表面上平面部分的原子级形貌演变，如图3所示^[3]。此外，基于表面完整性评价结果，确定YAG单晶的宽光谱（210-1690nm）光学常数。本研究为监测和理解超精密制造中的表面/亚表面演变提供了新思路，同时促进了脆性固体的材料去除工艺优化及其相关应用。

针对基于qBAT的抛光表面和亚表面损伤测量方法，课题组自主开发了基于液晶可变延迟器（LCVR）的可变角度激光椭偏测量系统，可用于激光晶体抛光表面完整性的高灵敏检测以及原子级薄膜厚度的高精度测量。通过设计系统校准方案确保测量结果准确性和鲁棒性，实现了亚纳米级的可重复性膜厚测量精度。系统膜厚测量指标与商用椭偏仪基本一致，且该系统测量性能已获得中国计量科学研究院出具的权威第三方认证，如图4所示^[4]。

本课题组围绕基于qBAT的激光晶体抛光表面/亚表面质量高精度表征进行了测量理论研究、方法优化、实验设计及测量系统研制的系统性工作，并取得了一系列的研究成果，为评估材料去除型表面工程中脆性固体的表面和亚表面演变提供了一种范式，并且为超精密制造中原子级薄膜厚度的高精度测量提带来了新思路。上述相关工作主要由本课题组博士生姚程源完成，得到国家重点研发计划和国家自然科学基金项目资助。