氟化钙晶体的紫外激光损伤平台搭建及损伤特性研究

摘要

随着激光技术的发展，强激光损伤光学系统中光学元器件的问题逐渐受到关注。紫外激光单光子能量高、分辨率高、热效应小，在工业、医疗、科研、军事等领域被广泛应用。紫外强激光对于材料的诱导损伤日益被重视。氟化物晶体作为性能优良的紫外窗口材料，即使在深紫外波段也有良好的透过率，且抗氟气反应，可用于氟气环境，有着其它紫外窗口材料无法比拟的优势。目前对于紫外波段的激光诱导损伤研究报道较红外与可见光波段少，且以紫外熔石英为主。研究氟化物晶体在紫外激光作用下的诱导损伤不仅利于深入理解紫外激光与物质相互作用的过程，而且可以为激光加工和激光攻防领域提供重要参考依据。 准分子激光单脉冲能量大，波长范围广、峰值功率高，是典型的紫外激光光源。本文以193nm ArF和248nm KrF准分子激光为光源，搭建完成紫外激光损伤平台，选取氟化物晶体中典型的氟化钙作为研究对象，探究氟化钙晶体在193nm、248nm激光辐照下的初始损伤、损伤增长特性，从损伤形貌、损伤阈值、缺陷分布特征、缺陷诱导损伤机制等角度开展一系列试验研究。主要成果如下: 1、针对放电激励准分子激光系统的强电磁干扰能量波动大的问题，设计并改进了信号传输方案，对腔内缓慢变化的气压信号进行高精度监测，使气体配比更精确;完成了对实时性要求较高、快速变化的脉冲激光瞬时能量的检测和稳定的信号传输，使248nm KrF准分子激光光源输出的光束能量波动性小于1％。 2、基于准分子激光器，搭建光路系统和硬件设备，对激光器输出光斑进行光束整形，通过光阑成像的方式投影至样品表面，实现了分布均匀、尺寸大小、能量密度可调节的光斑，为氟化钙的紫外激光诱导损伤提供了稳定、可调、高质量的光源。通过位移平台控制样品位置，利用CCD相机在线监测准分子激光辐照过程中，样品表面形貌的演化。初步完成氟化钙晶体紫外激光损伤平台的搭建。 3、采用脉宽约25ns，波长为248nm、193nm的准分子激光光源，以1-on-1测试方式，测算了激光诱导损伤阈值。分析得出，破碎性缺陷导致激光辐照过程中光场的局域调制，增强激光能量的吸收，会降低激光诱导损伤阈值;结构性缺陷使氟化钙带隙杂化，增加晶体对激光能量的吸收，会降低激光诱导损伤阈值;通过分析，激光在辐照过程中，最大功率密度和最大电场强度都在后表面附近，且前表面产生的等离子体位于空气中，减少前表面的能量沉积，后表面的等离子体位于氟化钙晶体体内，吸收能量后增加材料内应力，使得氟化钙晶体的后表面比前表面先损伤，且损伤效果更甚;193nm双光子能量高于氟化钙晶体的禁带宽度，会产生双光子吸收的现象，193nm激光作用下的激光诱导损伤阈值低于248nm。 4、损伤形貌直接体现了损伤的效果和特征，通过对比分析总结出损伤规律。随着入射激光能量密度的提升，损伤逐步加剧，表现在损伤点、损伤斑数量的增加，损伤面积的增大。初始损伤从氟化钙晶体解理面的断裂、弯曲和脱落开始，没有明显的热熔融现象;随着激光脉冲数量的增加，或重复频率的提升，材料内部微观缺陷吸收激光能量后来不及扩散，致使局部升温，造成缺陷处破碎熔融形成损伤坑，严重时甚至发生热爆炸留下灾难性的损伤。溅射出碎片、熔融残渣散落在样品表面，被剥落的碎片下方有螺纹状的周期性条纹。