熔石英亞表面劃痕誘導(dǎo)激光損傷的初步研究.pdf

1、在高功率激光驅(qū)動(dòng)的慣性約束聚變的大型光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)元件的負(fù)載能力是限制激光器高通量輸出的“瓶頸”，提高光學(xué)元件的抗激光損傷能力，延長光學(xué)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(dǎo)激光損傷物理圖像即損傷開始和增長，以及減緩工藝三個(gè)方面展開。討論目前普遍接受的幾種損傷機(jī)理；測(cè)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(jì)算亞表面徑向和赫茲錐形劃痕對(duì)入射光場(chǎng)的調(diào)制；利用紫外、二氧化碳激光預(yù)處理光學(xué)

2、元件；剔除表面雜質(zhì)和修復(fù)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(shí)驗(yàn)用康寧、肖特公司生產(chǎn)的熔石英基片，用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)熔石英表面劃痕的形貌，用原子力顯微鏡測(cè)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(cè)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(dá)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(dāng)。 2)采用有限元方法對(duì)熔石英亞表面缺陷(平面和錐形劃痕)周圍的光強(qiáng)分布進(jìn)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(qiáng)分布的主要因素；位于光入射表面的劃痕對(duì)光強(qiáng)的增強(qiáng)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(shí)發(fā)生內(nèi)全反射時(shí)，平面劃痕周圍的光強(qiáng)增強(qiáng)效果明顯。錐形劃痕周圍的光強(qiáng)分布為正確解釋交叉劃痕夾角對(duì)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(duì)元件表面進(jìn)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)