輻照對藍(lán)寶石、熔石英光學(xué)和激光損傷特性的影響.pdf

1、藍(lán)寶石和熔石英等光學(xué)材料具有優(yōu)良的光學(xué)性能，在磁約束核聚變反應(yīng)堆和高功率固體激光驅(qū)動(dòng)慣性約束核聚變的一些關(guān)鍵應(yīng)用中常被制作成電子絕緣體和光學(xué)元件/窗口。在輻照作用下光學(xué)材料不可避免地會(huì)遭受損傷，它們的微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和激光損傷特性將會(huì)發(fā)生改變?；诠鈱W(xué)元件在可控核聚變領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，研究這兩種光學(xué)材料的輻照損傷及性能演變對于光學(xué)元件在特殊運(yùn)行環(huán)境下的安全使用和服役壽命具有重要的指導(dǎo)意義。
　　本論文采用氦離子、電子束和γ射線等手

2、段輻照藍(lán)寶石和熔石英樣品，研究了輻照對它們的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和激光損傷特性的影響規(guī)律。具體的研究內(nèi)容涉及以下幾個(gè)方面：
　　(1)室溫下采用不同名義注量的氦離子輻照藍(lán)寶石，研究了氦離子輻照對藍(lán)寶石的表面形貌、光學(xué)性能和激光損傷特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，氦離子輻照后，藍(lán)寶石中缺陷的數(shù)量和密度隨注量的增加而增加；當(dāng)注量超過1×1017 ions/cm2后，藍(lán)寶石的表面粗糙度明顯變大。此外，藍(lán)寶石中還出現(xiàn)了兩個(gè)新的寬吸收帶，

3、它們的吸收強(qiáng)度隨著注量的增加而增加；位于330 nm處的發(fā)光帶的強(qiáng)度隨注量的增加而逐漸減小并趨于飽和；位于790 cm-1處的紅外光譜峰隨注量的增加發(fā)生了漂移和展寬。對氦離子輻照前后藍(lán)寶石的激光損傷閾值的測試結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，隨著氦離子的注量增加，藍(lán)寶石的激光損傷特性呈現(xiàn)出顯著單調(diào)降低的規(guī)律?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，對藍(lán)寶石的激光損傷退化機(jī)理進(jìn)行了分析。
　　(2)對注量為1×1017 ions/cm2氦離子輻照藍(lán)寶石的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)研

4、究。結(jié)果表明，藍(lán)寶石的(006)和(0012)衍射峰出現(xiàn)展寬且強(qiáng)度顯著地降低了。采用高分辨率透射電子顯微鏡對藍(lán)寶石的輻照區(qū)域和基體區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，藍(lán)寶石出現(xiàn)了部分非晶化現(xiàn)象；在輻照區(qū)域內(nèi)的(003)和(110)方向存在大約4.5％的晶格膨脹，(110)方向還出現(xiàn)了大約4.6°的晶格畸變；同時(shí)還觀察到產(chǎn)生了大量納米級的氦泡和不同取向的微晶。此外，藍(lán)寶石的激光損傷形貌由于氦泡的存在差異十分明顯。
　　(3)采用不同能量的氦離子

5、連續(xù)注入藍(lán)寶石并獲得了一層均勻的摻雜氦原子，研究了摻氦原子對藍(lán)寶石的形貌演化、光學(xué)性質(zhì)和激光損傷特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，摻氦導(dǎo)致了藍(lán)寶石的表面粗糙度變大，且藍(lán)寶石的吸收強(qiáng)度也顯著地增加。此外，摻氦還導(dǎo)致了藍(lán)寶石的紅外吸收峰發(fā)生了峰移和展寬。激光輻照后，摻氦藍(lán)寶石的激光損傷閾值降低幅度高達(dá)40%；藍(lán)寶石的激光損傷從原來的因應(yīng)力效應(yīng)造成的破裂損傷轉(zhuǎn)變?yōu)橐詿嵝?yīng)為主的熔融損傷。
　　(4)采用60 kW高功率脈沖電子束輻照高純?nèi)凼?/p>

6、品，研究了不同劑量的電子束輻照對其表面形貌、光學(xué)性質(zhì)和激光損傷特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，電子束輻照后，熔石英由于熱效應(yīng)導(dǎo)致表面破裂，裂紋密度和尺寸隨輻照劑量的增加而增大，且樣品表面出現(xiàn)了大量的碎片顆粒。熔石英的吸收強(qiáng)度隨電子束輻照劑量增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，394 nm處出現(xiàn)微弱的吸收峰。激光損傷閾值測試結(jié)果表明，熔石英的損傷閾值隨著輻照劑量的增加而降低。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對熔石英的激光損傷特性降低的機(jī)理進(jìn)行了討論。
　　(5)采

7、用γ射線輻照高純?nèi)凼悠罚芯苛瞬煌瑒┝康摩蒙渚€輻照對熔石英的表面形貌、光學(xué)性質(zhì)和激光損傷特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，不同劑量的γ射線輻照熔石英樣品后，對其表面形貌影響不明顯，這與電子束輻照熔石英的結(jié)果顯著不同，究其原因是兩種輻照機(jī)制的不同；熔石英的表面粗糙度隨輻照劑量的增加略微增大。當(dāng)輻照劑量達(dá)到5×105 Gy后，觀察到215 nm處的吸收峰，其強(qiáng)度隨輻照劑量的增加顯著增強(qiáng)。激光損傷閾值測試結(jié)果表明，不同劑量對熔石英的激光損傷閾值分

8、布影響較大；熔石英的激光損傷閾值隨輻照劑量的增加顯著地降低。
　　本論文采用氦離子、電子束和γ射線等輻照手段來模擬受控核聚變的輻照環(huán)境，研究了不同劑量的輻照對藍(lán)寶石和熔石英樣品的表面形貌、光學(xué)性質(zhì)和激光損傷特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，氦離子輻照對藍(lán)寶石光學(xué)元件的激光損傷特性影響非常大；高劑量的電子束輻照將導(dǎo)致熔石英光學(xué)元件的表面發(fā)生災(zāi)難性的破壞而無法使用；γ射線對熔石英光學(xué)元件的激光損傷形貌影響相對較小。因此，高劑量的輻照將大大