輻照對藍寶石、熔石英光學和激光損傷特性的影響.pdf

1、藍寶石和熔石英等光學材料具有優(yōu)良的光學性能，在磁約束核聚變反應堆和高功率固體激光驅(qū)動慣性約束核聚變的一些關鍵應用中常被制作成電子絕緣體和光學元件/窗口。在輻照作用下光學材料不可避免地會遭受損傷，它們的微觀結構、光學性質(zhì)和激光損傷特性將會發(fā)生改變。基于光學元件在可控核聚變領域的廣泛應用，研究這兩種光學材料的輻照損傷及性能演變對于光學元件在特殊運行環(huán)境下的安全使用和服役壽命具有重要的指導意義。
　　本論文采用氦離子、電子束和γ射線等手

2、段輻照藍寶石和熔石英樣品，研究了輻照對它們的表面形貌、微觀結構、光學性質(zhì)和激光損傷特性的影響規(guī)律。具體的研究內(nèi)容涉及以下幾個方面：
　　(1)室溫下采用不同名義注量的氦離子輻照藍寶石，研究了氦離子輻照對藍寶石的表面形貌、光學性能和激光損傷特性的影響規(guī)律。結果表明，氦離子輻照后，藍寶石中缺陷的數(shù)量和密度隨注量的增加而增加；當注量超過1×1017 ions/cm2后，藍寶石的表面粗糙度明顯變大。此外，藍寶石中還出現(xiàn)了兩個新的寬吸收帶，

3、它們的吸收強度隨著注量的增加而增加；位于330 nm處的發(fā)光帶的強度隨注量的增加而逐漸減小并趨于飽和；位于790 cm-1處的紅外光譜峰隨注量的增加發(fā)生了漂移和展寬。對氦離子輻照前后藍寶石的激光損傷閾值的測試結果進行分析后發(fā)現(xiàn)，隨著氦離子的注量增加，藍寶石的激光損傷特性呈現(xiàn)出顯著單調(diào)降低的規(guī)律?；趯嶒灲Y果，對藍寶石的激光損傷退化機理進行了分析。
　　(2)對注量為1×1017 ions/cm2氦離子輻照藍寶石的微觀結構進行詳細研

4、究。結果表明，藍寶石的(006)和(0012)衍射峰出現(xiàn)展寬且強度顯著地降低了。采用高分辨率透射電子顯微鏡對藍寶石的輻照區(qū)域和基體區(qū)域進行詳細分析后發(fā)現(xiàn)，藍寶石出現(xiàn)了部分非晶化現(xiàn)象；在輻照區(qū)域內(nèi)的(003)和(110)方向存在大約4.5％的晶格膨脹，(110)方向還出現(xiàn)了大約4.6°的晶格畸變；同時還觀察到產(chǎn)生了大量納米級的氦泡和不同取向的微晶。此外，藍寶石的激光損傷形貌由于氦泡的存在差異十分明顯。
　　(3)采用不同能量的氦離子

5、連續(xù)注入藍寶石并獲得了一層均勻的摻雜氦原子，研究了摻氦原子對藍寶石的形貌演化、光學性質(zhì)和激光損傷特性的影響規(guī)律。結果表明，摻氦導致了藍寶石的表面粗糙度變大，且藍寶石的吸收強度也顯著地增加。此外，摻氦還導致了藍寶石的紅外吸收峰發(fā)生了峰移和展寬。激光輻照后，摻氦藍寶石的激光損傷閾值降低幅度高達40%；藍寶石的激光損傷從原來的因應力效應造成的破裂損傷轉(zhuǎn)變?yōu)橐詿嵝獮橹鞯娜廴趽p傷。
　　(4)采用60 kW高功率脈沖電子束輻照高純?nèi)凼?/p>

6、品，研究了不同劑量的電子束輻照對其表面形貌、光學性質(zhì)和激光損傷特性的影響規(guī)律。結果表明，電子束輻照后，熔石英由于熱效應導致表面破裂，裂紋密度和尺寸隨輻照劑量的增加而增大，且樣品表面出現(xiàn)了大量的碎片顆粒。熔石英的吸收強度隨電子束輻照劑量增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，394 nm處出現(xiàn)微弱的吸收峰。激光損傷閾值測試結果表明，熔石英的損傷閾值隨著輻照劑量的增加而降低?；趯嶒灲Y果，對熔石英的激光損傷特性降低的機理進行了討論。
　　(5)采

7、用γ射線輻照高純?nèi)凼悠罚芯苛瞬煌瑒┝康摩蒙渚€輻照對熔石英的表面形貌、光學性質(zhì)和激光損傷特性的影響規(guī)律。結果表明，不同劑量的γ射線輻照熔石英樣品后，對其表面形貌影響不明顯，這與電子束輻照熔石英的結果顯著不同，究其原因是兩種輻照機制的不同；熔石英的表面粗糙度隨輻照劑量的增加略微增大。當輻照劑量達到5×105 Gy后，觀察到215 nm處的吸收峰，其強度隨輻照劑量的增加顯著增強。激光損傷閾值測試結果表明，不同劑量對熔石英的激光損傷閾值分

8、布影響較大；熔石英的激光損傷閾值隨輻照劑量的增加顯著地降低。
　　本論文采用氦離子、電子束和γ射線等輻照手段來模擬受控核聚變的輻照環(huán)境，研究了不同劑量的輻照對藍寶石和熔石英樣品的表面形貌、光學性質(zhì)和激光損傷特性的影響規(guī)律。研究結果表明，氦離子輻照對藍寶石光學元件的激光損傷特性影響非常大；高劑量的電子束輻照將導致熔石英光學元件的表面發(fā)生災難性的破壞而無法使用；γ射線對熔石英光學元件的激光損傷形貌影響相對較小。因此，高劑量的輻照將大大