强激光系统熔石英基底的处理技术研究

摘要

熔石英材料的激光损伤已经成为限制高功率激光器的输出功率、制约惯性约束核聚变系统发展的重要瓶颈。激光损伤会降低光学元件的使用寿命，降低系统的运行效率，增加运行成本。提高光学元件熔石英基底的抗激光损伤能力已成为当前最迫切的需求之一。熔石英激光损伤的诱导因素主要分为两类:光学加工过程中造成的机械损伤（亚表面损伤）以及表层的以氧化铈抛光粉为代表的金属元素污染。
　　本课题主要研究HF酸腐蚀和复合加工方法对熔石英激光损伤阈值的提高。本文的主要工作如下:
　　1.针对HF酸腐蚀中的反应产物沉积问题，对HF酸腐蚀工艺进行了系统的优化。通过选用HF溶液而非含有NH4F的缓冲液作为腐蚀液、腐蚀过程中引入兆声波辅助以及腐蚀后充分漂洗等方面的优化，有效地抑制了反应产物沉积。采用优化后的HF工艺腐蚀后，样品表面金属元素含量显著下降，亚表面缺陷被有效钝化，腐蚀去除20μm后，损伤阈值从初始的5.7 J/cm2升高至13.1 J/cm2。
　　2.提出了复合加工方法，该方法的工艺流程为:研磨样品——300μm HF腐蚀——超光滑抛光——干法刻蚀——HF清洗。研磨样品经300μm的HF腐蚀后，亚表面缺陷被彻底去除，演变成粗糙表面。同时由于亚表面缺陷的横向扩展，缺陷间彼此相互交连，使得腐蚀后表面PV值远小于初始的亚表面损伤层深度(约为～10μm)，降低了后续抛光所需的去除量。超光滑抛光将HF腐蚀后的粗糙表面抛平，同时引入相对较浅的亚表面损伤层。随后干法刻蚀将超光滑抛光引入的亚表面损伤层去除，然后百纳米的HF腐蚀将干法刻蚀引入的金属污染等去除，最终获得既无亚表面损伤又无金属污染的光滑表面。损伤阈值测试显示，复合加工方法显著地提高了损伤阈值。损伤阈值从初始的20.0 J/cm2最高提升至42.0 J/cm2，处理后的样品表面粗糙度维持在1～2 nm。
　　3.ICP刻蚀的刻蚀诱导表面损伤问题。首先系统地研究了刻蚀坑状损伤的形貌特征，分析了刻蚀损伤在物理和化学刻蚀下的演化规律，分析了其形成机理。在刻蚀损伤的抑制方面，对ICP刻蚀工艺进行了系统的优化，首先通过使用隔离罩装置，消除了金属污染，大幅地提高了刻蚀后的表面质量;随后优化刻蚀气体配比和ICP功率，消除了低密度表面坑状损伤。最后使用优化的ICP刻蚀工艺成功地去除了亚表面损伤层。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光束采样光栅及其损伤阈值

1．3 国内外研究现状

1．3．1 提高损伤阈值的技术手段

1．3．2 国内外研究现状

1．4 选题意义与内容安排

第二章 氢氟酸湿法腐蚀技术

2．1 引言

2．2 氢氟酸腐蚀的相关理论

2．2．1 氢氟酸腐蚀机理

2．2．2 腐蚀速率

2．2．3 氢氟酸腐蚀对表面形貌的影响

2．2．4 反应产物的沉积问题

2．3 氢氟酸腐蚀及阈值测试

2．3．1 初始样品

2．3．2 湿法化学清洗

2．3．3 氢氟酸腐蚀实验

2．4 本章小结

第三章 复合加工方法及其可行性

3．1 常见的处理技术及其局限性

3．2 复合加工方法的工艺流程

3．3 所涉及工艺步骤的分析

3．3．1 初始样品的选择

3．3．2 氢氟酸腐蚀的深度

3．3．3 干法刻蚀的深度

3．4 本章小结

第四章 干法刻蚀

4．1 引言

4．2 干法刻蚀的相关理论

4．2．1 等离子体刻蚀的相关理论

4．2．2 反应离子刻蚀

4．2．3 感应耦合等离子体刻蚀

4．3 ICP刻蚀的表面损伤

4．3．1 实验设备及样品

4．3．2 等离子体刻蚀的表面损伤

4．3．3 表面损伤的演化规律

4．3．4 刻蚀诱导损伤的形成机理

4．4 刻蚀表面损伤的抑制

4．4．1 样品预处理

4．4．2 CHF3刻蚀工艺

4．4．3 金属污染的抑制

4．4．4 氩气的比例及ICP功率

4．4．5 隔离装置对刻蚀速率的影响

4．4．6 亚表面损伤层的去除

4．5 本章小结

第五章 损伤阈值测试

5．1 引言

5．2 复合加工工艺对阈值的提高

5．2．1 阈值测试方法

5．2．2 样品处理工艺及其阈值测试结果

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文的工作总结

6．2 论文的主要创新点

6．3 后续工作展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢