光學(xué)元件低亞表面缺陷及高激光損傷性能的研究.pdf

1、熔石英玻璃由于其光學(xué)性能良好、熱學(xué)性能穩(wěn)定，已成為高功率激光聚變裝置中應(yīng)用最廣泛的一種光學(xué)元件。但在紫外激光(351/355nm)的輻照下，熔石英表面很容易產(chǎn)生激光損傷點(diǎn)，且在后續(xù)激光的連續(xù)輻照下，損傷點(diǎn)尺寸可能呈現(xiàn)指數(shù)型增長，對(duì)元件造成災(zāi)難性的破壞。激光損傷已成為限制激光系統(tǒng)輸出能量水平的“瓶頸”，因此，抑制元件激光損傷的產(chǎn)生和增長，是提升整個(gè)激光系統(tǒng)的性能和壽命的關(guān)鍵。
　　誘發(fā)元件表面激光損傷的因素眾多，包括元件制造過程中引

2、入的表面/亞表面裂紋，表面吸收性雜質(zhì)及加工過程殘留的機(jī)械應(yīng)力等。如何有效地提升元件激光損傷閾值(Laser-induced damage threshold, LIDT)已成為光學(xué)領(lǐng)域必須解決的關(guān)鍵問題。本文基于光學(xué)元件加工缺陷的形成機(jī)制和激光損傷的誘導(dǎo)機(jī)理，探討了劃痕等缺陷對(duì)元件激光損傷性能的影響，并采用優(yōu)化的刻蝕和清洗工藝提升光潔熔石英元件的抗激光損傷能力，本論文的主要研究工作包括以下幾個(gè)部分:
　　1，基于化學(xué)刻蝕過程中亞表

3、面裂紋的演變模型，提出了磨削亞表面缺陷深度的評(píng)價(jià)方法—化學(xué)刻蝕斑點(diǎn)法，并探究了元件亞表面損傷深度的變化規(guī)律，指導(dǎo)磨削工藝的優(yōu)化。
　　2.結(jié)合理論、仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)元件表面劃痕誘導(dǎo)材料激光損傷進(jìn)行分析。使用時(shí)域有限差分算法(Finite difference time domain, FDTD)模擬劃痕對(duì)入射激光電場的調(diào)制，討論了劃痕的形狀及尺寸對(duì)激光光場的增強(qiáng)作用。同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)角度分析了劃痕的類型和密度，尤其是脆性劃痕對(duì)元件激光損傷

4、性能的影響。
　　3.使用傳統(tǒng)刻蝕技術(shù)處理光潔熔石英樣品，分析刻蝕溶液對(duì)熔石英玻璃的溶解速率，并對(duì)刻蝕后元件的表面粗糙度、雜質(zhì)含量及機(jī)械性能等表面特性進(jìn)行表征，基于R∶1和1∶1的損傷測試結(jié)果，獲得元件激光損傷閾值的變化規(guī)律。
　　4.在傳統(tǒng)刻蝕技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入聲學(xué)能量刻蝕技術(shù)處理熔石英元件。結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方差分析的結(jié)果，探討了刻蝕液濃度、組成、刻蝕深度及聲學(xué)能量大小對(duì)元件損傷性能的影響權(quán)重和影響趨勢，選擇最佳的刻蝕條