大氣等離子體去除熔石英損傷層過程中表面形成機理研究.pdf

1、在以慣性約束聚變（ICF, Inertial Confinement Fusion）為代表的大型光學系統(tǒng)應用領(lǐng)域中，對光學元件的制造提出的要求和挑戰(zhàn)日益增高，尤其對光學元件的使用性能提出了更嚴格的要求，光學元件的使用性能依賴于元件的加工表面質(zhì)量。熔石英材料的光學元件是整個光路系統(tǒng)中最薄弱的部分，在光學元件中存在的亞表面損傷會導致光學元件的抗激光損傷閾值下降，在高功率密度的激光系統(tǒng)中容易導致光學元件的損傷，對光 學系統(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)展具有無損傷機制并快速去除亞表面損傷的加工技術(shù)，是提高光學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)是光學加工領(lǐng)域的一項創(chuàng)新技術(shù)，屬于非接觸式的化學刻蝕加工方法，不存在機械研磨和拋光過程中對光學元件表面施加的壓力，單純化學加工機制可以有效地避免和消除亞表面缺陷，在光學加工領(lǐng)域有著重要的應用前景和意義。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、沉積的機械特性、元素組成及結(jié)合態(tài)、產(chǎn)生機理、影響因素分析和抑制方法展開研究，以達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特性進行了檢測，從大氣等離子體激發(fā)、反應氣體電離及等離子體與工件表面的反應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理。對沉積的化學組成及結(jié)合態(tài)進行表征，研究了加工后表面沉積物在微觀形貌、力學特性、生成機理

5、和化學元素的組成及結(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態(tài)組成，利用發(fā)射光譜診斷分析了CF4作為反應氣體激發(fā)電離的F原子和CF2基團在化學反應中的作用。研究了大氣等離子體加工參數(shù)對反應氣體 CF4激發(fā)電離的影響規(guī)律，得到了減少沉積的工藝改進方向。基于FLUENT流體模擬對加工區(qū)域流場進行了計算分析，并建立反應區(qū)域氣體流動速率和表面沉積分布的對應關(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