熔石英元件离子束抛光物理规律

摘要

光学元件的抗损伤能力目前已成为限制高功率固体激光装置输出能力的“瓶颈”问题之一，去除元件表面、亚表面杂质和加工缺陷是提高元件抗激光损伤能力的重要手段之一。熔石英是激光系统中用量最大的材料，而离子束刻蚀作为一种可主动控制的非接触式加工方式，可在不影响元件表面质量（包括表面粗糙度、面形、残余应力）的前提下有效去除或钝化熔石英元件表面和亚表面缺陷，是一项非常有前景的表面处理技术。
　　本文采用氩离子束表面抛光技术去除或钝化熔石英表面、亚表面杂质和缺陷，首先采用计算机模拟仿真对实验参数进行优化，然后从实验上研究离子束抛光对熔石英元件表面形貌、粗糙度、面形变化的影响规律，以及对熔石英元件抗激光损伤能力的影响规律。
　　利用SRIM软件对Ar离子束刻蚀熔石英的物理过程进行模拟仿真，结果表明：
　　（1）离子束的刻蚀效率随能量的增大而增大；刻蚀效率首先随入射角度增大而增大，在60°时达到最大值，当角度超过60°后，去除效率会随角度增大而降低，直到90°时，几乎没有刻蚀发生。
　　（2）在固定入射角度时，Ar离子注入深度随离子能量增大而增大。综合考虑到刻蚀效率和损伤深度，为避免因能量过高而导致的熔石英内部损伤，选择1keV以下的离子能量进行刻蚀为最佳。
　　氩离子束抛光实验研究表明：
　　（1）氩离子束抛光可以去除残留在熔石英样品表面缺陷内的抛光粉等杂质，从而提高元件的激光损伤阈值。
　　（2）氩离子束抛光可以钝化或去除熔石英元件表面的冷加工缺陷，对划痕的刻蚀效果尤为明显，因此，通过抛光可以提升元件的激光损伤阈值。
　　（3）离子束抛光对于光学元件的表面粗糙度和透射波前无明显影响。
　　（4）离子束刻蚀效果对于设备洁净度依赖性很强，在离子束设备洁净度较高的情况下，熔石英元件的离子束抛光效果明显，但随着设备真空腔内清洁度逐渐变差，元件表面污染越来越严重，甚至掩盖了抛光效果。因此，设备洁净度需严格控制才能确保抛光效果。

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第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 离子束抛光的研究进展

1.3 论文研究内容

第二章 光学材料的离子束抛光研究

2.1 国内外对光学元件传统抛光技术研究

2.2 熔石英表面抛光设备

2.3 小结

第三章 SRIM模拟优化离子束刻蚀熔石英元件参数

3.1 Sigmund溅射理论介绍

3.2 SRIM仿真分析条件

3.3 溅射产额与离子束参数的关系

3.4 刻蚀损伤深度分析

3.5 离子束刻蚀过程的三维物理图像

3.6 本章小结

第四章 Ar离子束抛光熔石英表面特性的研究

4.1 实验设备及实验参数

4.2 实验结果与讨论

4.3 样品污染分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果