熔石英的真空损伤与损伤增长的研究

摘要

光学元件表面的激光诱导损伤限制了用于驱动惯性约束聚变反应(InertialConfined Fuse，ICF)的高功率激光器系统的输出功率；而损伤在后继激光辐照下进一步扩展是系统的运行成本居高不下的重要原因之一。提高光学元件的抗激光损伤能力，减缓损伤增长以延长光学元件的使用寿命是目前迫切需要解决的问题。 本论文探讨了缺陷诱导激光损伤产生的机理，重点研究在不同气氛环境中、不同真空度下熔石英元件的损伤规律，测试了熔石英元件表面损伤在后继激光辐照的损伤增长情况，分析了紫外激光预处理技术与二氧化碳预处理技术对熔石英元件表面进行前期预处理的原理和方法，并采用紫外与二氧化碳预处理技术对熔石英元件表面进行前期预处理。主要获得的研究结果如下： 1)分别采用不同的阈值测试方法测试石英玻璃样品在不同气氛及真空度条件下的激光损伤阈值并总结了样品的损伤规律；对样品进行多脉冲辐照，探讨环境对其使用寿命的影响规律。研究表明：在氮气、空气和氧气三种不同气氛环境中，虽然各自所含氧气分压不同，然而对熔石英紫外激光损伤阈值和寿命规律的影响并不大。但在气压为103Pa时其抗多脉冲辐照能力与大气压条件下相当；而在低真空和高真空条件下，熔石英抗多脉冲辐照能力有下降趋势，导致其寿命降低。 2)分别研究石英玻璃前表面、后表面上初始损伤点的增长速率。研究表明：熔石英元件前表面的初始损伤面积随后继脉冲数呈线性变化的规律；后表面的初始损伤面积随后继脉冲数呈指数增长趋势。比较而言，相同条件下后表面上的损伤点更危险。 3)用紫外激光预处理石英玻璃，研究其后表面初始损伤的增长情况，并与未经预处理的损伤增长进行对比。结果表明：初始损伤形貌相近的损伤点在相同的能量密度激光辐照下，经过紫外激光预处理的熔石英损伤增长速度比未经过预处理的要快的多；紫外激光预处理能够有效地提高熔石英样片的抗损伤阈值，但是损伤一旦发生将更加快速地扩展。 4)使用紫外与二氧化碳激光预处理技术对熔石英样片进行前期处理，研究前期处理对熔石英样片性能的影响。实验表明：紫外激光预处理与二氧化碳激光预处理都能够有效提高熔石英样片抗激光损伤能力；单独使用紫外激光预处理对样品的光学性能不会造成负面影响，但是对样品的阈值提升幅度有限；而二氧化碳激光预处理对于提升激光损伤阈值比紫外预处理强，但是其产生的热应力容易使基片表面变形，降低了光学元件的表面质量；两种预处理方式结合起来效果最佳，既能较大幅度地提高样品的抗激光辐照损伤能力，也可减小基片面型变化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 引言

1.1课题背景

1.2国内外研究现状

1.3课题的研究意义

1.4论文的主要内容

第二章 熔石英缺陷诱导激光损伤及损伤测试方法

2.1引言

2.2激光损伤的定义

2.2.1表面损伤

2.2.2体损伤

2.3激光损伤阈值及其测试方法

2.3.1激光损伤的判定方法

2.4影响损伤阈值的因素

2.4.1激光参数对损伤阈值的影响

2.4.2缺陷对损伤阈值的影响

2.5初始损伤产生的理论描述

2.5.1热爆炸和火球的膨胀

2.5.2损伤坑的形成

2.6小结

第三章 熔石英在不同气氛与真空度中的三倍频损伤

3.1引言

3.2实验装置与方法

3.3实验结果

3.4分析讨论

3.5小结

第四章 熔石英元件损伤增长的实验研究

4.1引言

4.2损伤增长实验

4.2.1实验设备

4.2.2实验步骤

4.2.3实验结果

4.2.4损伤增长机理分析

4.2.5结论

4.3经紫外预处理后熔石英的损伤增长实验

4.3.1实验方法

4.3.2实验结果与分析

4.3.3结论

4.4小结

第五章 前期预处理及损伤修复原理与工艺

5.1引言

5.2HF酸腐蚀法

5.3激光辐照预处理

5.3.1紫外激光预处理

5.3.2CO2激光预处理

5.3.3紫外预处理与CO2预处理的实验与比较

5.4 CO2激光修复

5.5小结

全文总结

致 谢

参考文献

读研期间取得的研究成果