熔石英光學(xué)元件表面損傷修復(fù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、提升熔石英光學(xué)元件的抗激光損傷能力是保障高功率固體激光裝置負(fù)載能力的重要因素。然而，目前元件表面的激光誘導(dǎo)損傷仍然是限制裝置通量的“瓶頸”。抑制元件表面損傷以及損傷增長(zhǎng)是保證通量水平和延長(zhǎng)元件使用壽命的有效手段。本文正是基于提升熔石英光學(xué)元件抗激光損傷能力這一目的，通過(guò)充分調(diào)研，從理論模擬和實(shí)驗(yàn)上研究抑制熔石英光學(xué)元件表面損傷及損傷增長(zhǎng)的方法。同時(shí)獲得修復(fù)區(qū)域殘余應(yīng)力及退火去應(yīng)力的物理規(guī)律，并通過(guò)損傷閾值、損傷壽命、損傷增長(zhǎng)和光調(diào)制等方

2、式考核修復(fù)效果，確定最終的優(yōu)化方案及參數(shù)。論文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　1．研究了熔石英表面/亞表面劃痕的特點(diǎn)、類型，以及損傷的特點(diǎn)和類型。結(jié)果表明：可以從劃痕形貌上將其劃分為橫向、徑向、赫茲錐形和“拖尾”劃痕；從形成屬性上可分為塑性、脆性和混合型劃痕。損傷點(diǎn)的形貌與輻照激光光斑形貌有直接關(guān)系，如果光斑是空間高斯型分布，則形成的損傷點(diǎn)的形貌一般可分為麻點(diǎn)狀、“貝殼”狀和“紫羅蘭”型損傷三類；如果光斑是空間平頂分布的光斑，除形成

3、上述三種形貌的損傷外，還會(huì)形成一種類平頂型的損傷。
　　2．從理論上研究了CO2激光與熔石英材料相互作用后產(chǎn)生的熔融、氣化及熱應(yīng)力等物理效應(yīng)，得到CO2激光單點(diǎn)和掃描作用熔石英表面后溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布的計(jì)算公式；分析 CO2激光作用熔石英表面時(shí)產(chǎn)生熔融、氣化和燒蝕現(xiàn)象的原因，并得到相應(yīng)的計(jì)算公式。
　　3．研究了修復(fù)熔石英光學(xué)元件表面劃痕的方法。采用理論模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，獲得修復(fù)參數(shù)。結(jié)果表明：對(duì)于元件表面上密集的劃痕，

4、為保證較好的修復(fù)效果，采用CO2激光功率從低到高逐漸增加多次掃描形式修復(fù)最為合適。
　　4．研究了修復(fù)熔石英光學(xué)元件表面各類尺寸損傷點(diǎn)的方法。結(jié)果表明：對(duì)于橫向尺寸小于400μm，深度小于200μm的損傷點(diǎn)可以直接采用CO2激光進(jìn)行修復(fù)；對(duì)于橫向尺寸為400μm~600μm，深度200μm~300μm的損傷點(diǎn)則采用HF刻蝕與CO2激光相結(jié)合的方式進(jìn)行修復(fù)。其中對(duì)橫向尺寸小于400μm，深度小于200μm的損傷點(diǎn)的修復(fù)是本論文的研究

5、重點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)研究了蒸發(fā)式和非蒸發(fā)式兩種修復(fù)方式，即高功率單次短時(shí)間輻照（方案Ⅰ）修復(fù)和低功率長(zhǎng)時(shí)間多次輻照（方案Ⅱ）修復(fù)。并采用Ansys模擬這兩種修復(fù)方式下溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律與特點(diǎn)。
　　5．研究了修復(fù)過(guò)程中影響修復(fù)點(diǎn)損傷閾值的燒蝕碎片和氣泡的產(chǎn)生機(jī)制和控制方法。根據(jù)燒蝕程度可將其分為輕度燒蝕和重度燒蝕兩種類型，并采用大光斑鈍化和HF刻蝕去除這兩類燒蝕；根據(jù)氣泡的形貌可將其分為球形氣泡和橢球形氣泡兩種類型，并得到氣泡數(shù)量和尺寸與

6、損傷閾值的關(guān)系。
　　6．從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了CO2激光修復(fù)損傷點(diǎn)后形成殘余應(yīng)力的特點(diǎn)及消除方法。研究了等溫退火和等時(shí)退火兩種退火方式。結(jié)果表明，退火溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響更為明顯。對(duì)于同一元件上采用相同修復(fù)方式作用后得到的殘余應(yīng)力，只要退火參數(shù)能將最大光斑尺寸CO2激光得到的殘余應(yīng)力消除即可。
　　7．研究了殘余應(yīng)力及退火處理對(duì)修復(fù)點(diǎn)損傷閾值的影響。結(jié)果表明：未經(jīng)退火處理的修復(fù)點(diǎn)的中心位置處的損傷閾值最高，而殘余應(yīng)力最大位置

7、處的損傷閾值最低。當(dāng)修復(fù)點(diǎn)中的殘余應(yīng)力被完全消除后，修復(fù)點(diǎn)整個(gè)區(qū)域的損傷閾值會(huì)回復(fù)或超過(guò)基底損傷閾值。
　　8．從損傷閾值、損傷壽命和損傷增長(zhǎng)三個(gè)方面研究了CO2激光修復(fù)損傷的效果及規(guī)律。閾值結(jié)果表明：無(wú)論考核的激光光斑尺寸和形貌如何，修復(fù)點(diǎn)的損傷閾值都呈正態(tài)分布規(guī)律。對(duì)于相同形貌光斑而言，考核光斑的尺寸越大，得到的損傷閾值則越小。壽命考核結(jié)果表明：如果考核激光能量從低到高逐漸增加，則修復(fù)點(diǎn)的抗激光壽命明顯延長(zhǎng)；損傷增長(zhǎng)考核結(jié)果表

8、明：未經(jīng)退火處理的修復(fù)點(diǎn)的損傷增長(zhǎng)最快，當(dāng)修復(fù)點(diǎn)周圍殘余應(yīng)力小于5 nm時(shí)，其損傷增長(zhǎng)系數(shù)與熔石英基底損傷增長(zhǎng)無(wú)差異。
　　9．研究了采用不同尺寸CO2激光光斑、不同修復(fù)方式得到的修復(fù)點(diǎn)對(duì)光的調(diào)制情況。結(jié)果表明：對(duì)于特定尺寸的 CO2激光光斑，方案Ⅰ得到的修復(fù)點(diǎn)對(duì)光產(chǎn)生的調(diào)制大于方案Ⅱ。修復(fù)點(diǎn)周圍存在的凸起形狀會(huì)加劇修復(fù)點(diǎn)對(duì)光的調(diào)制，必須控制或消除這些凸起形狀以減小由此產(chǎn)生的光調(diào)制對(duì)下游元件的影響。
　　采用理論模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)