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熔石英光学元件表面损伤修复的理论和实验研究

蒋勇  
【摘要】:提升熔石英光学元件的抗激光损伤能力是保障高功率固体激光装置负载能力的重要因素。然而,目前元件表面的激光诱导损伤仍然是限制装置通量的“瓶颈”。抑制元件表面损伤以及损伤增长是保证通量水平和延长元件使用寿命的有效手段。本文正是基于提升熔石英光学元件抗激光损伤能力这一目的,通过充分调研,从理论模拟和实验上研究抑制熔石英光学元件表面损伤及损伤增长的方法。同时获得修复区域残余应力及退火去应力的物理规律,并通过损伤阈值、损伤寿命、损伤增长和光调制等方式考核修复效果,确定最终的优化方案及参数。论文主要研究内容和结论如下: 1.研究了熔石英表面/亚表面划痕的特点、类型,以及损伤的特点和类型。结果表明:可以从划痕形貌上将其划分为横向、径向、赫兹锥形和“拖尾”划痕;从形成属性上可分为塑性、脆性和混合型划痕。损伤点的形貌与辐照激光光斑形貌有直接关系,如果光斑是空间高斯型分布,则形成的损伤点的形貌一般可分为麻点状、“贝壳”状和“紫罗兰”型损伤三类;如果光斑是空间平顶分布的光斑,除形成上述三种形貌的损伤外,还会形成一种类平顶型的损伤。 2.从理论上研究了CO_2激光与熔石英材料相互作用后产生的熔融、气化及热应力等物理效应,得到CO_2激光单点和扫描作用熔石英表面后温度场和应力场分布的计算公式;分析CO_2激光作用熔石英表面时产生熔融、气化和烧蚀现象的原因,并得到相应的计算公式。 3.研究了修复熔石英光学元件表面划痕的方法。采用理论模拟与实验结合的方法,获得修复参数。结果表明:对于元件表面上密集的划痕,为保证较好的修复效果,采用CO_2激光功率从低到高逐渐增加多次扫描形式修复最为合适。 4.研究了修复熔石英光学元件表面各类尺寸损伤点的方法。结果表明:对于横向尺寸小于400μm,深度小于200μm的损伤点可以直接采用CO_2激光进行修复;对于横向尺寸为400μm~600μm,深度200μm~300μm的损伤点则采用HF刻蚀与CO_2激光相结合的方式进行修复。其中对横向尺寸小于400μm,深度小于200μm的损伤点的修复是本论文的研究重点。实验研究了蒸发式和非蒸发式两种修复方式,即高功率单次短时间辐照(方案Ⅰ)修复和低功率长时间多次辐照(方案Ⅱ)修复。并采用Ansys模拟这两种修复方式下温度随时间变化的规律与特点。 5.研究了修复过程中影响修复点损伤阈值的烧蚀碎片和气泡的产生机制和控制方法。根据烧蚀程度可将其分为轻度烧蚀和重度烧蚀两种类型,并采用大光斑钝化和HF刻蚀去除这两类烧蚀;根据气泡的形貌可将其分为球形气泡和椭球形气泡两种类型,并得到气泡数量和尺寸与损伤阈值的关系。 6.从理论和实验上研究了CO_2激光修复损伤点后形成残余应力的特点及消除方法。研究了等温退火和等时退火两种退火方式。结果表明,退火温度对残余应力的影响更为明显。对于同一元件上采用相同修复方式作用后得到的残余应力,只要退火参数能将最大光斑尺寸CO_2激光得到的残余应力消除即可。 7.研究了残余应力及退火处理对修复点损伤阈值的影响。结果表明:未经退火处理的修复点的中心位置处的损伤阈值最高,而残余应力最大位置处的损伤阈值最低。当修复点中的残余应力被完全消除后,修复点整个区域的损伤阈值会回复或超过基底损伤阈值。 8.从损伤阈值、损伤寿命和损伤增长三个方面研究了CO_2激光修复损伤的效果及规律。阈值结果表明:无论考核的激光光斑尺寸和形貌如何,修复点的损伤阈值都呈正态分布规律。对于相同形貌光斑而言,考核光斑的尺寸越大,得到的损伤阈值则越小。寿命考核结果表明:如果考核激光能量从低到高逐渐增加,则修复点的抗激光寿命明显延长;损伤增长考核结果表明:未经退火处理的修复点的损伤增长最快,当修复点周围残余应力小于5nm时,其损伤增长系数与熔石英基底损伤增长无差异。 9.研究了采用不同尺寸CO_2激光光斑、不同修复方式得到的修复点对光的调制情况。结果表明:对于特定尺寸的CO_2激光光斑,方案Ⅰ得到的修复点对光产生的调制大于方案Ⅱ。修复点周围存在的凸起形状会加剧修复点对光的调制,必须控制或消除这些凸起形状以减小由此产生的光调制对下游元件的影响。 采用理论模拟与实验验证相结合的方法,成功获得修复熔石英表面横向尺寸小于600μm,深度小于300μm损伤点的方法及关键参数。但仍有诸如更大尺寸损伤点的修复、面形控制、在小口径元件上获得的修复参数是否适合大口径元件等工作需进一步补充完善与验证,同时理论研究也需要进一步完善。


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