光学元件低亚表面缺陷及高激光损伤性能的研究

摘要

熔石英玻璃由于其光学性能良好、热学性能稳定，已成为高功率激光聚变装置中应用最广泛的一种光学元件。但在紫外激光(351/355nm)的辐照下，熔石英表面很容易产生激光损伤点，且在后续激光的连续辐照下，损伤点尺寸可能呈现指数型增长，对元件造成灾难性的破坏。激光损伤已成为限制激光系统输出能量水平的“瓶颈”，因此，抑制元件激光损伤的产生和增长，是提升整个激光系统的性能和寿命的关键。
　　诱发元件表面激光损伤的因素众多，包括元件制造过程中引入的表面/亚表面裂纹，表面吸收性杂质及加工过程残留的机械应力等。如何有效地提升元件激光损伤阈值(Laser-induced damage threshold, LIDT)已成为光学领域必须解决的关键问题。本文基于光学元件加工缺陷的形成机制和激光损伤的诱导机理，探讨了划痕等缺陷对元件激光损伤性能的影响，并采用优化的刻蚀和清洗工艺提升光洁熔石英元件的抗激光损伤能力，本论文的主要研究工作包括以下几个部分:
　　1，基于化学刻蚀过程中亚表面裂纹的演变模型，提出了磨削亚表面缺陷深度的评价方法—化学刻蚀斑点法，并探究了元件亚表面损伤深度的变化规律，指导磨削工艺的优化。
　　2.结合理论、仿真和实验对元件表面划痕诱导材料激光损伤进行分析。使用时域有限差分算法(Finite difference time domain, FDTD)模拟划痕对入射激光电场的调制，讨论了划痕的形状及尺寸对激光光场的增强作用。同时，从实验角度分析了划痕的类型和密度，尤其是脆性划痕对元件激光损伤性能的影响。
　　3.使用传统刻蚀技术处理光洁熔石英样品，分析刻蚀溶液对熔石英玻璃的溶解速率，并对刻蚀后元件的表面粗糙度、杂质含量及机械性能等表面特性进行表征，基于R∶1和1∶1的损伤测试结果，获得元件激光损伤阈值的变化规律。
　　4.在传统刻蚀技术的基础上，引入声学能量刻蚀技术处理熔石英元件。结合正交试验设计与方差分析的结果，探讨了刻蚀液浓度、组成、刻蚀深度及声学能量大小对元件损伤性能的影响权重和影响趋势，选择最佳的刻蚀条件实现元件损伤性能的有效提升。
　　5.为了减少附着于元件表面的刻蚀沉积物，本文采用多种清洗方式对元件进行刻蚀后的清洗处理，并探究不同的清洗手段对沉积物的去除效率以及对元件光学性能的影响，选择出最有效的元件清洗方式。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 表面／亚表面缺陷的形成

1．2．1 磨削加工机理及缺陷的形成

1．2．2 抛光加工机理及缺陷的形成

1．3 激光损伤诱导机理

1．3．1 激光损伤的定义

1．3．2 本征损伤

1．3．3 缺陷诱导损伤机理

1．4 体损伤和表面损伤

1．4．1 体损伤

1．4．2 前表面损伤

1．4．3 后表面损伤

1．5 激光损伤测试

1．5．1 激光损伤阈值

1．5．2 激光损伤测试方法

1．5．3 激光参数对损伤阈值的影响

1．6 光学元件损伤性能的提升

1．6．1 激光预处理

1．6．2 高温退火

1．6．3 HF刻蚀

1．6．4 其他处理手段

1．7 论文的主要内容

第二章 光学元件磨抛亚表面损伤检测技术

2．1 磨削亚表面损伤模型

2．1．1 亚表面损伤深度的理论预测模型

2．1．2 亚表面裂纹的刻蚀模型

2．2 磨削亚表面损伤深度的检测

2．2．1 元件制备

2．2．2 磁流变抛光斑点技术

2．2．3 化学刻蚀斑点法

2．2．4 结果分析

2．3 加工参数对磨削亚表面损伤深度的影响

2．4 抛光亚表面损伤检测技术

2．4．1 元件制备

2．4．2 抛光水解层

2．4．3 抛光亚表面划痕

2．5 本章小结

第三章 表面划痕诱导元件激光损伤的研究

3．1 抛光划痕的产生

3．2 抛光划痕的标定和检测

3．2．1 划痕的类型和密度

3．2．2 粗糙度和透过率

3．2．3 扫描损伤测试

3．2．4 小结

3．3 划痕诱导激光光场增强的仿真分析

3．3．1 电磁波时域有限差分(FDTD)方法概述

3．3．2 划痕对光场调制的数值模拟

3．3．3 小结

3．4 脆性划痕的激光损伤性能研究

3．4．1 脆性划痕的产生

3．4．2 划痕形貌的表征

3．4．3 激光损伤测试

3．5 本章小结

第四章 化学刻蚀对熔石英元件损伤性能的影响探究

4．1 HF酸刻蚀机理

4．2 传统化学刻蚀实验

4．2．1 样品及溶液制备

4．2．2 刻蚀速率分析

4．3 元件表面特性表征

4．3．1 表面粗糙度

4．3．2 机械性能

4．3．3 表面杂质浓度

4．3．4 损伤性能

4．3．5 结果分析

4．3．6 小结

4．4 基于田口方法的刻蚀实验

4．4．1 样品准备

4．4．2 田口方法及实验设计

4．5 实验结果与分析

4．5．1 刻蚀速率

4．5．2 粗糙度及透过率

4．5．3 激光损伤测试

4．5．4 结果与讨论

4．6 本章小结

第五章 熔石英元件刻蚀后清洗效果的评价及分析

5．1 刻蚀沉积物的形成和附着

5．1．1 刻蚀沉积物的形成机理

5．1．2 范德华力

5．2 刻蚀元件的清洗和沉积物的去除

5．2．1 元件清洁方法

5．2．2 样品的制备及清洗

5．2．3 沉积物对元件光学性能的影响

5．3 结果和讨论

5．3．1 清洗效率分析

5．3．2 元件损伤阈值测试

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

科研成果