HF酸刻蚀提升熔石英亚表面划痕抗损伤性能的机理

用HF酸刻蚀熔石英元件,研究刻蚀对元件后表面划痕的形貌结构及损伤性能的影响,探索损伤阈值提升的原因.时域有限差分算法理论计算结果表明:对于含有50 nm直径氧化锆颗粒的划痕,对入射光调制引发场增强的最大值是入射光强的6.1倍,且最强点位于划痕内部氧化锆颗粒附近,而结构相同但不含杂质的划痕引发的最大场增强为入射光强的3.6倍,最强区位于划痕外围;HF酸刻蚀能够有效去除划痕中的杂质,改变划痕结构,增加其宽深比值,经刻蚀的划痕对入射光调制引发场增强降低到入射光强的2.2倍.实验结果表明,经过深度刻蚀的划痕初始损伤阈值较刻蚀之前提高一倍多;光热弱吸收测试仪测试刻蚀后划痕对1 064 nm激光的吸收最大值仅为230 ppm.HF酸刻蚀同时可以提升元件整体损伤阈值,由于元件上无缺陷区域损伤阈值随刻蚀的深入先增加后降低,因此HF酸刻蚀应进行到元件损伤阈值提升到最大值为止.     

熔石英元件HF刻蚀的实验研究

为深入了解熔石英元件化学刻蚀过程,研究了HF刻蚀反应机理、HF刻蚀工艺参数以及刻蚀对表面质量的影响规律。通过控制变量法,获得刻蚀速率随HF浓度、刻蚀温度以及NH4F浓度的变化规律。对刻蚀不同深度后的元件表面粗糙度、形貌、杂质含量以及激光损伤阈值进行了检测,实验结果表明:刻蚀速率受多种因素共同影响,其中HF浓度的促进作用最为显著;刻蚀后的熔石英表面形貌复杂,有横向、纵向、拖尾等形式的划痕,以及坑点、杂质等缺陷,其中横向划痕和纵向划痕占据了缺陷部分的主体,主要杂质铈元素随刻蚀时间的增长不断减少;激光损伤阈值测量实验表明,通过HF刻蚀将元件损伤阈值提高了59.6%。     

超声波辅助酸蚀提高熔石英损伤阈值

为了提高熔石英元件表面抗激光损伤阈值,利用超声波辅助HF酸研究平滑光学元件表面缺陷形貌和去除刻蚀后残留物效果,通过扫描电子显微镜电镜和原子力显微镜记录表面形貌结构,以及单脉冲激光辐照测试抗损伤阈值确定实验参数。研究表明,超声波场的引入能催化HF酸的刻蚀速率、提高钝化效果并且更易剥离嵌入的亚μm级杂质粒子。经过实验测试,获得了熔石英类元件相匹配的超声辅助HF酸刻蚀实验参数,研究结果对应用超声波辅助HF酸研究熔石英表面抗激光损伤有重要意义。     

激光诱导HF酸刻蚀后熔石英后表面划痕的损伤行为研究

用光学显微镜和原子力显微镜记录HF酸刻蚀后熔石英元件后表面划痕的形貌结构,并利用单脉冲激光对其进行辐照测试,以研究不同结构参数划痕的激光损伤特性.实验结果表明,由于HF酸的腐蚀钝化作用,划痕结构横向截面呈余弦形分布;其初始损伤阈值并非由单一的划痕宽度或深度参数决定,而是与其横向剖面结构的宽深比值密切相关;通过实验得到了二者之间的关系曲线,并采用时域有限差分算法对不同结构参数划痕附近光场分布进行理论模拟,理论场计算得到的增强结果与实验值符合得很好.     

熔石英后表面坑点型划痕对光场调制的近场模拟

建立了坑点型划痕的旋转抛物面模型, 用三维时域有限差分方法研究了熔石英后表面坑点型划痕随深度、 宽度、 间距以及酸蚀量变化对波长λ =355 nm入射激光的调制.研究表明, 这类划痕调制最强区位于相邻两坑点的连接区, 且越靠近表面调制越强.当其宽深比为2.0---3.5、 坑点间距约为坑点宽度的1/2时, 可获得最大光场调制, 最大光强增强因子(LIEF)为11.53; 当坑点间距大于坑点宽度时, 其调制大为减弱, 相当于单坑的场调制.对宽为60δ (δ =λ/12), 深和间距均为30δ的坑点型划痕进行刻蚀模拟, 刻蚀过程中最大LIEF为11.0, 当间距小于300 nm时, 相邻坑点由于衍射形成场贯通.     

划痕缺陷对熔融石英光诱导损伤特性的影响分析

激光辐照光学材料时,经后表面反射的部分光束与入射光束干涉,在材料内部形成驻波场.若材料表面存在缺陷,缺陷会对入射光进行调制,导致材料内驻波场分布不再均匀,局部区域光强增大.为分析光学材料的场损伤特性,建立了一个划痕缺陷影响下的光学材料损伤分析模型.从电子增值理论出发,分析了划痕数量及其所在位置对材料驻波场和损伤特性的影响,并针对熔融石英材料进行了具体计算.结果表明,在入射光场不变的前提下,随着划痕数量增加,对光场的调制作用增强,材料内部驻波场的最大场强增大,熔融石英损伤阈值降低.相对亚表面和后表面划痕缺陷而言,材料上表面的缺陷对光场具有最大的调制作用,因此更容易导致材料损伤.     

横向划痕对光场调制的近场模拟

熔石英亚表面划痕对入射激光的近场调制是导致光学元件低阈值损伤的主要因素之一. 用三维时域有限差分方法研究了连续横向划痕的近场分布, 对比了尖锐截面与光滑截面场调制的差异, 着重探讨了光场调制与划痕宽深比R的关系. 研究表明: 酸蚀后的光滑截面有助于减弱近场调制, 这类划痕的R>10.0时调制较弱且相互接近, R<5.0时调制显著增强. 当R取1---3时, 亚表面的调制达最大值, 最大电场幅值为入射波幅值的4.3倍. 当R取1.0---3.5时, 缺陷附近有80%以上取样点的最大电场幅值超过入射波幅值的2倍. 随着深度的增大, 强场区具有明显的"趋肤效应": 位于划痕正下方的强场区首先往左右两侧移动, 然后移向抛物口界面以及水平界面, 同时衍生出的多条增强线诱导整个亚表面层的光场增强.     

酸蚀与紫外激光预处理结合提高熔石英损伤阈值

采用HF酸刻蚀和紫外激光预处理相结合的方式提升熔石英元件的负载能力,用质量分数为1%的HF缓冲溶液对熔石英刻蚀1~100 min,综合透过率、粗糙度和损伤阈值测试结果,发现刻蚀时间为10min的熔石英抗损伤能力最佳。采用355 nm紫外激光对HF酸刻蚀10 min的熔石英进行预处理,结果表明:紫外预处理能量密度在熔石英零损伤阈值的60%以下时,激光损伤阈值单调递增;能量到达80%时,阈值反而低于原始样片的损伤阈值。适当地控制酸蚀时间和紫外激光预处理参数能有效提高熔石英的抗损伤能力。     

电场的增强作用对介质膜光栅损伤形貌的影响

研究了电场在介质膜光栅结构中的增强效应对其抗激光损伤阈值的影响.使用傅里叶模式方法计算了电场在介质膜光栅浮雕结构内的分布.数值分析表明：电场在介质膜光栅中增强的最大值为入射光的2倍,其最大的位置出现在相对于入射光对面的光栅槽侧壁。实验测试介质膜光栅样品在1 064 nm和12 ns, 51.2°和TE偏振光入射时,其抗激光损伤阈值为6.61 J/cm2.对损伤形貌进行扫描电镜精确分析,发现介质膜光栅的初始损伤产生于电场在介质膜光栅内增强最大的位置处.     

熔石英亚表面球形杂质对入射光场的调制作用

建立激光辐照下熔石英体内球形杂质引起元件损伤的模型。基于Mie理论计算杂质的散射系数,研究杂质颗粒附近的调制光场分布,分析光强增强因子(LIEF)与杂质折射率及半径的关系。结果显示,杂质颗粒半径小于40 nm时,所有类型杂质对光场的调制作用可以忽略;颗粒半径大于40 nm时,对于折射率小于熔石英的非耗散杂质,LIEF随颗粒半径的增大和折射率的减小而增大,且后向散射远强于前向散射;对于折射率大于熔石英的非耗散杂质,随着折射率和半径的增大,LIEF整体趋势增大,局部达到102量级。对于耗散杂质,前向散射强度随颗粒半径的增大先增大后减小,当颗粒半径大于170 nm时,后向散射强于前向散射。     

Effect of HF etching on the surface quality and laser-induced damage of fused silica

The surface hardness of polished and HF etched fused silica has been investigated by nanoindentation technique. The results of polished fused silica indicate that the hardness of surface layer is greater than that of the bulk material. The difference should be attributed to the polishing induced deformation of the thin surface layer. The various removal depths of surface layer by HF etching has been confirmed by the surface hardness results. The initial laser damage threshold and damage possibility of unetched and etched samples were also measured. The results show a great improvement of damage resistance by slight etching and a reduction by excess etching. The correlation between surface hardness and damage threshold indicates that the mechanical strength plays an important role in the initiation of laser-induced damage.     

酸蚀深度对熔石英三倍频激光损伤阈值的影响

 采用干涉仪和台阶仪测试蚀刻深度随时间的变化,结合材料去除速率测量,研究了HF酸蚀液对熔石英表面蚀刻的影响。测试了蚀刻后损伤阈值和表面粗糙度的变化。研究表明,熔石英表面重沉积层厚度约16 nm,亚表面缺陷层大于106 nm;重沉积层去除后损伤阈值增大,随亚表面缺陷层暴露其阈值先降低后又增加,最后趋于稳定;然而,随蚀刻时间的增加,其表面粗糙度增大。分析表明,蚀刻到200 nm能有效地提高熔石英的低损伤阈值,有利于降低初始损伤点数量和提高熔石英表面的机械强度。     

熔石英和磷酸盐钕玻璃表面三角形微裂纹对入射光的散射分析

 采用时域有限差分方法(FDTD)模拟了石英玻璃和掺钕磷酸盐激光玻璃表面三角形微裂纹对入射光调制后的分布。TE模式光波入射,最大调制电场幅值出现在玻璃体内部;TM模式光波入射,最大调制电场幅值则发生在裂纹的缝隙中。两种入射光模式下,后表面的调制电场幅值增大倍数在相同裂纹条件下均比前表面大。TE模式入射时,当入射光在裂纹和玻璃表面相继发生全反射时,得到的调制电场幅值最大;后表面最大调制电场幅值随着裂纹在界面投影长度的增加、开口宽度的变大及裂纹深度的增加而分别增大。     

Rear-surface light intensification caused by a Hertzian-conical crack in 355-nm silica optics

Theoretical studies show that a Hertzian-conical crack can be considered to be composed of double cone faces for simplicity. In the present study, the three-dimensional finite-difference time-domain method is employed to quantify the electric-field distribution within the subsurface in the presence of such a defect under normal incidence irradiation. Both impurities (inside the crack) and the chemical etching have been investigated. The results show that the maximum electric field amplitude |E| max is 9.57374 V/m when the relative dielectric constant of transparent impurity equals 8.5. And the near-field modulation will be improved if the crack is filled with the remainder polishing powders or water vapor/drops. Meanwhile, the laser-induced initial damage moves to the glass-air surface. In the etched section, the magnitude of intensification is strongly dependent on the inclination angle θ. There will be a highest modulation when θ is around π/6, and the maximum value of |E| max is 18.57314 V/m. When θ ranges from π/8 to π/4, the light intensity enhancement factor can easily be larger than 100, and the modulation follows a decreasing trend. On the other hand, the modulation curves become smooth when θ > π/4 or θ < π/8.     

熔石英亚表面缺陷附近光强分布的数值模拟

 熔石英亚表面缺陷对光场的调制是导致激光辐照场破坏的主要因素。采用有限元方法对熔石英亚表面缺陷（平面和锥形划痕）周围的光强分布进行了数值模拟。结果表明：划痕形状、几何尺寸、方位角、光的入射角等是影响划痕周围光强分布的主要因素;前表面划痕对光强的增强效果比后表面弱;在理想形状的划痕截面和表面同时发生内全反射时,平面划痕周围的光强增强效果明显。锥形划痕周围的光强分布为正确解释交叉划痕的夹角平分线附近的损伤提供了理论依据。