大氣等離子體去除熔石英損傷層過程中表面形成機(jī)理研究.pdf

1、在以慣性約束聚變（ICF, Inertial Confinement Fusion）為代表的大型光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中，對光學(xué)元件的制造提出的要求和挑戰(zhàn)日益增高，尤其對光學(xué)元件的使用性能提出了更嚴(yán)格的要求，光學(xué)元件的使用性能依賴于元件的加工表面質(zhì)量。熔石英材料的光學(xué)元件是整個光路系統(tǒng)中最薄弱的部分，在光學(xué)元件中存在的亞表面損傷會導(dǎo)致光學(xué)元件的抗激光損傷閾值下降，在高功率密度的激光系統(tǒng)中容易導(dǎo)致光學(xué)元件的損傷，對光 學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用性能及

2、壽命產(chǎn)生直接的影響。因此，發(fā)展具有無損傷機(jī)制并快速去除亞表面損傷的加工技術(shù)，是提高光學(xué)元件抗損傷閾值和使用壽命的關(guān)鍵。
　　大氣等離子體加工技術(shù)是光學(xué)加工領(lǐng)域的一項創(chuàng)新技術(shù)，屬于非接觸式的化學(xué)刻蝕加工方法，不存在機(jī)械研磨和拋光過程中對光學(xué)元件表面施加的壓力，單純化學(xué)加工機(jī)制可以有效地避免和消除亞表面缺陷，在光學(xué)加工領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景和意義。本文針對熔石英材料在前期磨削加工產(chǎn)生亞表面損傷的大氣等離子加工去除機(jī)理、加工過程中表面出

3、現(xiàn)沉積物對加工質(zhì)量的影響、沉積的機(jī)械特性、元素組成及結(jié)合態(tài)、產(chǎn)生機(jī)理、影響因素分析和抑制方法展開研究，以達(dá)到去除亞表面損傷和提高加工表面質(zhì)量的目的。
　　本文首先分析了大氣等離子體加工對亞表面微裂紋損傷的去除機(jī)理。采用尖銳壓頭在表面的壓痕作用來產(chǎn)生亞表面損傷裂紋，并用大氣等離子體逐層加工方法對損傷點進(jìn)行原位表征，清楚展現(xiàn)了大氣等離子體加工對亞表面損傷的去除過程，揭示了大氣等離子體加工去除亞表面損傷的機(jī)理。通過分析損傷點幾何特征和微

4、觀形貌的變化規(guī)律，建立了微裂紋損傷隨加工時間變化的幾何模型，反映了大氣等離子體加工過程中表面質(zhì)量與亞表面裂紋的變化關(guān)系。
　　針對大氣等離子加工過程中表面出現(xiàn)的沉積對加工去除選擇性和表面質(zhì)量的影響，對加工后表面沉積的力學(xué)特性進(jìn)行了檢測，從大氣等離子體激發(fā)、反應(yīng)氣體電離及等離子體與工件表面的反應(yīng)等步驟分析了大氣等離子體加工過程中表面沉積的形成機(jī)理。對沉積的化學(xué)組成及結(jié)合態(tài)進(jìn)行表征，研究了加工后表面沉積物在微觀形貌、力學(xué)特性、生成機(jī)理

5、和化學(xué)元素的組成及結(jié)合狀態(tài)特性。
　　根據(jù)在大氣等離子體加工過程中表面沉積的化學(xué)態(tài)組成，利用發(fā)射光譜診斷分析了CF4作為反應(yīng)氣體激發(fā)電離的F原子和CF2基團(tuán)在化學(xué)反應(yīng)中的作用。研究了大氣等離子體加工參數(shù)對反應(yīng)氣體 CF4激發(fā)電離的影響規(guī)律，得到了減少沉積的工藝改進(jìn)方向?；贔LUENT流體模擬對加工區(qū)域流場進(jìn)行了計算分析，并建立反應(yīng)區(qū)域氣體流動速率和表面沉積分布的對應(yīng)關(guān)系。
　　依據(jù)等離子體加工參數(shù)和氣流特性對加工沉積生成的