熔石英光學(xué)元件表面損傷修復(fù)的理論和實驗研究.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是保證通量水平和延長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，通過充分調(diào)研，從理論模擬和實驗上研究抑制熔石英光學(xué)元件表面損傷及損傷增長的方法。同時獲得修復(fù)區(qū)域殘余應(yīng)力及退火去應(yīng)力的物理規(guī)律，并通過損傷閾值、損傷壽命、損傷增長和光調(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)。論文主要研究內(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、類型，以及損傷的特點和類型。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，則形成的損傷點的形貌一般可分為麻點狀、“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激光單點和掃描作用熔石英表面后溫度場和應(yīng)力場分布的計算公式；分析 CO2激光作用熔石英表面時產(chǎn)生熔融、氣化和燒蝕現(xiàn)象的原因，并得到相應(yīng)的計算公式。
　　3．研究了修復(fù)熔石英光學(xué)元件表面劃痕的方法。采用理論模擬與實驗結(jié)合的方法，獲得修復(fù)參數(shù)。結(jié)果表明：對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的方法。結(jié)果表明：對于橫向尺寸小于400μm，深度小于200μm的損傷點可以直接采用CO2激光進行修復(fù)；對于橫向尺寸為400μm~600μm，深度200μm~300μm的損傷點則采用HF刻蝕與CO2激光相結(jié)合的方式進行修復(fù)。其中對橫向尺寸小于400μm，深度小于200μm的損傷點的修復(fù)是本論文的研究

5、重點。實驗研究了蒸發(fā)式和非蒸發(fā)式兩種修復(fù)方式，即高功率單次短時間輻照（方案Ⅰ）修復(fù)和低功率長時間多次輻照（方案Ⅱ）修復(fù)。并采用Ansys模擬這兩種修復(fù)方式下溫度隨時間變化的規(guī)律與特點。
　　5．研究了修復(fù)過程中影響修復(fù)點損傷閾值的燒蝕碎片和氣泡的產(chǎn)生機制和控制方法。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．從理論和實驗上研究了CO2激光修復(fù)損傷點后形成殘余應(yīng)力的特點及消除方法。研究了等溫退火和等時退火兩種退火方式。結(jié)果表明，退火溫度對殘余應(yīng)力的影響更為明顯。對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)力及退火處理對修復(fù)點損傷閾值的影響。結(jié)果表明：未經(jīng)退火處理的修復(fù)點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。當修復(fù)點中的殘余應(yīng)力被完全消除后，修復(fù)點整個區(qū)域的損傷閾值會回復(fù)或超過基底損傷閾值。
　　8．從損傷閾值、損傷壽命和損傷增長三個方面研究了CO2激光修復(fù)損傷的效果及規(guī)律。閾值結(jié)果表明：無論考核的激光光斑尺寸和形貌如何，修復(fù)點的損傷閾值都呈正態(tài)分布規(guī)律。對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)點的抗激光壽命明顯延長；損傷增長考核結(jié)果表

8、明：未經(jīng)退火處理的修復(fù)點的損傷增長最快，當修復(fù)點周圍殘余應(yīng)力小于5 nm時，其損傷增長系數(shù)與熔石英基底損傷增長無差異。
　　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)點對光的調(diào)制情況。結(jié)果表明：對于特定尺寸的 CO2激光光斑，方案Ⅰ得到的修復(fù)點對光產(chǎn)生的調(diào)制大于方案Ⅱ。修復(fù)點周圍存在的凸起形狀會加劇修復(fù)點對光的調(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)制對下游元件的影響。
　　采用理論模擬與實驗驗