熔石英元件损伤可控高效阈值提升工艺关键技术研究

摘要

高功率激光器系统中将用到数以千记的大口径熔石英元件，在高功率紫外激光的辐照下，熔石英元件有可能出现损伤甚至灾难性破坏，使得整个光学系统无法正常运行。国内已有研究单位对熔石英强光光学元件的加工技术进行了一定的研究，在传统抛光技术，HF腐蚀技术等方面做了许多工作，但是在激光损伤诱因，MRF加工技术，HF清洗技术和中高频误差控制等方面仍然需要进一步研究。本文以熔石英强光元件为研究背景，以高阈值、高效和无损加工为研究目标，提出了损伤可控高效工艺路线，对工艺路线中关键技术进行了研究，研究成果对于推动熔石英加工技术进一步提升，服务国家重大需求具有重要的理论和实践意义。
　　本研究主要内容包括：⑴对激光损伤诱因及其影响规律进行研究，为加工工艺提供理论指导。使用有限差分法对不同结构形式划痕对阈值的影响规律进行了研究。针对熔石英元件制造过程中常见的Ce和Fe污染，使用有限差分法和有限元方法仿真研究了污染对熔石英元件性能的影响。对元件表面存在的中高频误差，理论研究了中高频误差引起的小尺度自聚焦作用。⑵熔石英强光光学元件的特点对MRF加工后表面完整性及洁净度提出了更高的要求，文中探索了MRF无损超光滑抛光的机理和MRF加工后划痕及表面污染的变化规律。基于弹性接触力学和双刃圆模型，建立MRF弹性域加工的理论模型，实验验证了弹塑性加工机理并表明弹性域化学加工是实现MRF超光滑无损加工的重要条件。实验研究了MRF的逐层去除机制，对逐层去除过程中元件阈值变化规律进行了分析。使用二次离子质谱仪检测研究了MRF加工后表面洁净度。⑶对HF腐蚀技术进行了深入研究。研究了浓HF腐蚀和HF后处理基本工艺，结果证实二者能够应用在强光元件的加工过程中。对浓HF腐蚀消除磨削后亚表面裂纹的能力进行了分析，建立了腐蚀时间随亚表面深度变化的模型并进行实验验证。研究了HF后处理技术对划痕的作用效果。基于实验结果建立了HF腐蚀过程模型，更完整地描述了HF腐蚀过程。对HF后处理完表面洁净度进行了检测。针对静态酸洗的不足，提出动态酸洗工艺方法，对动态酸洗过程进行理论分析和工艺参数优化，指导动态酸洗过程的进行。⑷对中高频误差无损光顺工艺进行了研究。基于粘弹性材料接触过程建立了光顺过程中划痕产生的理论模型，通过实验验证模型并获得抛光参数同划痕特征参数之间的规律，提出了抑制划痕的抛光工艺方法。基于Preston方程建立了光顺衍化模型，通过实验验证了衍化模型的正确性。针对不同运动形式下的不同抛光盘，对它们的抛光效率进行了实验研究和优化。最后通过中高频光顺实验验证了光顺的效果。⑸对前面的工艺研究成果和熔石英强光元件损伤可控高效阈值提升工艺路线进行了实验验证。介绍了阈值测试的实验和方法，对前文中的研究结论进行了阈值实验验证。使用损伤可控高效阈值提升工艺路线加工一块430×430×10mm的熔石英窗口元件，窗口元件的面形精度达到76.372nm(PV)，8.295nm(RMS)，相同材料相同工艺小样的表面粗糙度达到0.167nm，激光损伤阈值从9.77J/cm2上升到19.2J/cm2。

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第一章 绪论

1.1课题的来源及意义

1.2国内外研究现状

1.3论文的主要研究内容

第二章 激光损伤诱因对阈值作用规律研究

2.1划痕对阈值影响规律研究

2.2污染对阈值影响规律研究

2.3中高频对阈值影响规律研究

2.4本章小结

第三章 磁流变强光元件加工工艺研究

3.1 磁流变弹塑性加工机理研究

3.2磁流变消除划痕研究

3.3磁流变加工后表面检测

3.4本章小结

第四章 HF高效腐蚀及后处理技术研究

4.1 HF腐蚀工艺研究

4.2 HF腐蚀对划痕作用研究

4.3 HF后处理污染变化研究

4.4本章小节

第五章 中高频误差无损光顺工艺研究

5.1无损抛光工艺研究

5.2中高频光顺工艺

5.3中高频光顺实验研究

5.4本章小结

第六章 阈值实验及损伤可控工艺路线

6.1阈值实验

6.2损伤可控高效工艺路线加工实验

6.3本章小结

第七章 结论与展望

7.1全文总结

7.2研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果