熔石英亞表面劃痕誘導激光損傷的初步研究.pdf

1、在高功率激光驅(qū)動的慣性約束聚變的大型光學系統(tǒng)中，光學元件的負載能力是限制激光器高通量輸出的“瓶頸”，提高光學元件的抗激光損傷能力，延長光學元件的使用壽命是目前面臨的重要問題之一。 本文根據(jù)亞表面劃痕誘導激光損傷物理圖像即損傷開始和增長，以及減緩工藝三個方面展開。討論目前普遍接受的幾種損傷機理；測試亞表面不同形貌特征劃痕的激光損傷閾值；利用有限元方法模擬計算亞表面徑向和赫茲錐形劃痕對入射光場的調(diào)制；利用紫外、二氧化碳激光預(yù)處理光學

2、元件；剔除表面雜質(zhì)和修復亞表面缺陷，有效消除損傷的產(chǎn)生，減緩損傷增長。 本文主要工作和得到的結(jié)論如下： 1)實驗用康寧、肖特公司生產(chǎn)的熔石英基片，用光學顯微鏡觀測熔石英表面劃痕的形貌，用原子力顯微鏡測量不同形貌劃痕的寬度和深度分布特征。根據(jù)劃痕的形貌特征將其分為徑向劃痕(Boussinesq-point-force crack，BPFC)、赫茲錐形劃痕(Hertzian-conical scratch，HCS)和塑性壓痕

3、(Plastic indent，PI)三類，用Nd：YAG激光器(SAGA)以n-on-1的方式測試損傷閾值。結(jié)果表明，銳度較大的BPFC損傷閾值不超過2.0J/cm2；深度小于1μm的HCS閾值可達2.6J/cm2；形變較大的PI閾值至2.8J/cm2，形變較小的PI激光損傷閾值與無缺陷材料3.3J/cm2相當。 2)采用有限元方法對熔石英亞表面缺陷(平面和錐形劃痕)周圍的光強分布進行了數(shù)值模擬。研究表明，劃痕形狀、幾何尺寸、

4、方位角、入射角等是影響劃痕周圍光強分布的主要因素；位于光入射表面的劃痕對光強的增強效果比位于出射表面的弱；在理想形狀的劃痕截面和表面同時發(fā)生內(nèi)全反射時，平面劃痕周圍的光強增強效果明顯。錐形劃痕周圍的光強分布為正確解釋交叉劃痕夾角對角線附近的損傷提供了理論依據(jù)。 3)結(jié)合紫外和二氧化碳激光預(yù)處理工藝，采用光柵式掃描方式對元件表面進行輻照，通過紫外激光輻照，表面的部分雜質(zhì)和水份被離化分解，隱藏于基片亞表面層的缺陷如劃痕等充分暴露；經(jīng)