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强光元件离子束修形工艺与本征特性演变规律研究

徐明进  
【摘要】:随着高技术光学装备性能的不断提升,光学系统对光学零件制造的面形精度和表面质量提出了更为苛刻的要求。应用于高功率激光系统的复杂形状强光元件就是极为典型的代表,其制造要求面形精度达到纳米量级的同时,还要求以近无缺陷的表面抵抗高功率激光损伤。目前,国内外学者在强光元件纳米制造研究方面取得了一定的进展,但是仍然无法完全满足大科学工程发展的需求,迫切需要开展强光元件本征表面加工新工艺和新理论的创新性研究。其中,基于物理溅射效应的离子束抛光技术,具备纳米精度修形和低缺陷清洁制造的双重优势,其潜力有望突破强光元件高精度低缺陷表面制造的瓶颈问题。然而,在以纳米精度面形和低损伤高阈值为目标的复杂形状光学元件表面制造中,离子束加工对表面微结构的频率误差调控机理、离子溅射作用下表面本征特性演变规律、离子溅射清洁制造的原理与工艺等关键问题尚待深入研究。因此,开展基于面形精度和表面质量控制的纳米制造研究,实现复杂形状强光元件面形精度提升和表面损伤控制的有效统一,在强光元件高抗激光损伤制造理论和工艺上获得突破,为我国重大强激光工程的实施提供理论和技术支持,具有重要的科学意义和应用价值。围绕复杂形状光学元件的纳米精度修形和低损伤高阈值表面制造等问题,本论文利用离子束抛光技术,针对多特征尺寸共生、大梯度误差面形的纳米精度修形工艺,离子溅射作用下表面缺陷和结构缺陷的演变规律,以及本征特性变化对损伤性能的作用机理等技术难题,在强光元件离子束抛光的理论、装备和工艺等方面开展创新研究,为实现强光元件的纳米制造提供新方法和新理论。具体的研究内容包括以下几个方面:(1)建立了面向纳米精度制造要求的高性能离子束抛光系统。研究了多尺度面形误差收敛与离子束修形工艺参数的映射关系,掌握了高精度强光元件制造对机床系统的性能要求,并在离子束抛光系统中创新使用高动态直线电机驱动,极大提升了离子束加工系统的定位精度和动态响应能力,为小尺度、大梯度复杂面形的纳米精度修形奠定了基础。(2)提出了连续相位元件的纳米精度离子束修形工艺。针对小特征尺寸连续相位板中高频丰富、误差梯度大、面形连续变化的特点,基于去除函数与相位单元的映射关系,提出了误差分频多束径离子束修形组合加工工艺,提高了修形效率和加工精度,实现了特征尺寸小于1mm相位单元的纳米精度修形,为微结构强光元件的离子束纳米精度加工提供了技术指导。(3)揭示了强光元件离子溅射表面本征特性的演变规律和作用机理。通过系统地研究离子溅射作用下强光元件表面缺陷的形貌演变,离子溅射对表面本征特性的改变机制,以及本征特性的表征和评价等问题,解决了表面缺陷的去除和抑制及其对提高抗激光损伤性能的作用等难题,为强光元件高抗激光损伤制造方法奠定了理论基础。(4)探索了强光元件离子溅射清洁制造工艺的优化方法。从离子溅射对损伤前驱体的作用规律出发,通过优化离子溅射工艺参数,探索了HF酸刻蚀与离子溅射清洁工艺联合抑制表面缺陷的机理和方法。揭示了离子溅射过程中化学结构缺陷以及表面羟基化的演变规律及其对抗激光损伤性能的影响,为实现熔石英元件的低缺陷高阈值表面制造提供了技术支撑。


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