光学元件低亚表面缺陷及高激光损伤性能的研究

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熔石英玻璃由于其光学性能良好、热学性能稳定,已成为高功率激光聚变装置中应用最广泛的一种光学元件。但在紫外激光(351/355nm)的辐照下,熔石英表面很容易产生激光损伤点,且在后续激光的连续辐照下,损伤点尺寸可能呈现指数型增长,对元件造成灾难性的破坏。激光损伤已成为限制激光系统输出能量水平的“瓶颈”,因此,抑制元件激光损伤的产生和增长,是提升整个激光系统的性能和寿命的关键。  诱发元件表面激光损伤的因素众多,包括元件制造过程中引入的表面/亚表面裂纹,表面吸收性杂质及加工过程残留的机械应力等。如何有效地提升元件激光损伤阈值(Laser-induced damage threshold, LIDT)已成为光学领域必须解决的关键问题。本文基于光学元件加工缺陷的形成机制和激光损伤的诱导机理,探讨了划痕等缺陷对元件激光损伤性能的影响,并采用优化的刻蚀和清洗工艺提升光洁熔石英元件的抗激光损伤能力,本论文的主要研究工作包括以下几个部分:  1,基于化学刻蚀过程中亚表面裂纹的演变模型,提出了磨削亚表面缺陷深度的评价方法—化学刻蚀斑点法,并探究了元件亚表面损伤深度的变化规律,指导磨削工艺的优化。  2.结合理论、仿真和实验对元件表面划痕诱导材料激光损伤进行分析。使用时域有限差分算法(Finite difference time domain, FDTD)模拟划痕对入射激光电场的调制,讨论了划痕的形状及尺寸对激光光场的增强作用。同时,从实验角度分析了划痕的类型和密度,尤其是脆性划痕对元件激光损伤性能的影响。  3.使用传统刻蚀技术处理光洁熔石英样品,分析刻蚀溶液对熔石英玻璃的溶解速率,并对刻蚀后元件的表面粗糙度、杂质含量及机械性能等表面特性进行表征,基于R∶1和1∶1的损伤测试结果,获得元件激光损伤阈值的变化规律。  4.在传统刻蚀技术的基础上,引入声学能量刻蚀技术处理熔石英元件。结合正交试验设计与方差分析的结果,探讨了刻蚀液浓度、组成、刻蚀深度及声学能量大小对元件损伤性能的影响权重和影响趋势,选择最佳的刻蚀条件实现元件损伤性能的有效提升。  5.为了减少附着于元件表面的刻蚀沉积物,本文采用多种清洗方式对元件进行刻蚀后的清洗处理,并探究不同的清洗手段对沉积物的去除效率以及对元件光学性能的影响,选择出最有效的元件清洗方式。
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