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10 min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。     

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m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。;     

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。     

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。     

光学元件兆声辅助化学刻蚀工艺参数优化

对传统的静态刻蚀方法进行了改进,提出了一种光学元件兆声辅助化学刻蚀新方法,并对传统静态刻蚀与兆声辅助化学刻蚀效果进行了对比分析,综合考虑刻蚀液的配比、刻蚀时间、添加活性剂种类和功率对光学元件激光损伤阈值的影响,通过正交设计实验优选出最佳的兆声辅助化学刻蚀工艺参数。结果表明：兆声清洗对各类杂质的去除效果要明显好于手工擦洗,兆声辅助化学刻蚀比传统的静态刻蚀有更高的刻蚀速率,在兆声的作用下刻蚀液能够进入到传统静态刻蚀难以进入的微裂纹中,对微裂纹等缺陷的刻蚀效果更为明显,能够将熔石英元件激光损伤阈值进一步提高。     

纳秒激光诱导损伤熔石英玻璃的动力学过程

采用超快时间分辨阴影成像技术研究了纳秒激光诱导损伤熔石英玻璃前后表面和体内的动力学过程,对比分析了前后表面和体内的损伤差异及损伤机制。在前表面,观察了空气和材料中的等离子体和冲击波的产生与发展过程;亚纳秒激光辐照下,前表面材料内观察到三个应力波,并观察到材料体内的损伤过程。在后表面,除观察到冲击波的产生与发展过程,还观察到表面物质的烧蚀去除与喷发过程。在材料内部,损伤由自聚焦和点缺陷吸收两种机制主导,而且点缺陷吸收诱导材料体内损伤有时间先后顺序。     

多波长激光同时辐照下熔石英元件的损伤研究

对比研究了3ω单独辐照、3ω＋2ω和3ω＋1ω双波长同时辐照下熔石英元件的初始损伤和损伤增长规律,重点研究3ω能量密度在其阈值附近时,低能量密度的2ω和1ω对初始损伤和损伤增长的影响,分析了波长间的能量耦合效应。结果表明：双波长同时辐照下,当2ω和1ω能量密度远低于其自身阈值时,它们对初始损伤几率和损伤增长阈值的影响可以忽略,但也会参与初始损伤和损伤增长过程,会增加初始损伤程度和损伤增长系数。基于飞秒双脉冲成像的冲击波速度测量表明,3ω和1ω同时辐照下,波长间的能量耦合效应会促进激光能量向材料沉积的效率。     

熔石英亚表面划痕激光诱导损伤阈值实验研究

用原子力显微镜和光学显微镜观测酸蚀后熔石英亚表面划痕,并根据形貌特征将其分为Boussinesq-point-force crack(BPFC)、Hertzian-conical scratch(HCS)和Plastic indent(PI)三类,测试了各类划痕的损伤阈值,讨论了激光损伤机制。结果表明锐度较大的BPFC损伤阈值不超过2.0 J/cm<>2;深度小于1 μm的 HCS阈值可达2.6 J/cm2;形变较大的PI阈值至2.8 J/cm2,形变较小的PI的激光损伤阈值与无缺陷材料相当。BPFC 和深度超过1 μm的HCS是导致熔石英损伤阈值低的主要因素。     

熔石英紫外激光初始损伤形态分析

采取355 nm激光脉冲辐照熔石英样品,利用Nomarski微分干涉差显微镜、原子力显微镜和扫描电子显微镜观测手段对前后表面产生的损伤点进行了观察分析。对前后表面损伤形态做出详细的描述和分类,从理论上对每种损伤类型产生的条件与机理做出推测。实验结果表明：熔石英前表面存在小麻点群损伤和星状裂纹损伤两种损伤形态,横向尺寸分别为0.8～2.5和1.0～5.5 μm;后表面存在小麻点群损伤、壳状剥离损伤和火山口3种损伤形态,损伤横向尺寸分别为0.48～1.33,4～20和12～30 μm。实验证明了1 μm尺度损伤点的产生与再沉积层密切相关。     

355 nm皮秒激光辐照下熔石英的损伤特性

利用光学元件激光损伤测试平台,测试了355 nm皮秒激光辐照下熔石英光学元件的初始损伤及损伤增长情况,并通过荧光检测分析了损伤区缺陷。研究结果表明：皮秒激光较高的峰值功率导致熔石英损伤阈值较低,前表面损伤阈值为3.98 J/cm2,后表面损伤阈值为2.91 J/cm2;前后表面损伤形貌存在较大差异,后表面比前表面损伤程度轻且伴随体内丝状损伤;随脉冲数的增加后表面损伤直径增长缓慢,损伤深度呈线性增长;皮秒激光的动态自聚焦和自散焦导致熔石英体内损伤存在细丝和炸裂点重复的现象;与纳秒激光损伤相比,损伤区缺陷发生明显改变。     

熔石英紫外激光初始损伤形态分析

 采取355 nm激光脉冲辐照熔石英样品,利用Nomarski微分干涉差显微镜、原子力显微镜和扫描电子显微镜观测手段对前后表面产生的损伤点进行了观察分析。对前后表面损伤形态做出详细的描述和分类,从理论上对每种损伤类型产生的条件与机理做出推测。实验结果表明：熔石英前表面存在小麻点群损伤和星状裂纹损伤两种损伤形态,横向尺寸分别为0.8～2.5和1.0～5.5 μm;后表面存在小麻点群损伤、壳状剥离损伤和火山口3种损伤形态,损伤横向尺寸分别为0.48～1.33,4～20和12～30 μm。实验证明了1 μm尺度损伤点的产生与再沉积层密切相关。     

1064 nm和532 nm纳秒激光同时辐照熔石英损伤规律的研究

利用Nd: YAG激光器研究基频(1064 nm)与倍频(532 nm)单独辐照和同时辐照下熔石英的损伤规律,对损伤几率进行了测试,获得损伤几率曲线与典型损伤形貌。研究结果表明：双波长同时辐照下的初始损伤阈值总是小于单波长辐照下的初始损伤阈值;基频光中加入定量倍频光后,熔石英对基频光的吸收效率提高;并且双波长同时辐照下,熔石英损伤密度增大;原因主要是熔石英表面缺陷对不同波长吸收机制的差异。     

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%。     

预应力对熔石英损伤的影响

采用ANSYS进行形变-应力模拟。对不同应力状态下的熔石英表面进行三倍频激光损伤测试,结果发现,预加压应力为0~50 MPa时损伤阈值有明显提高的趋势,用应力耦合作用对此给出了解释：0~50 MPa的预加压应力可以降低和抵消激光辐照产生的张应力破坏,大于50 MPa预应力的耦合作用会使得该处机械性能下降,另外,损伤增长在预应力存在时更容易发生。因此,0~50 MPa预加压应力时的表面预应力可以提高熔石英的抗激光辐照能力。     

355 nm纳秒紫外激光辐照下熔石英前后表面损伤的对比研究

为了理解前后表面损伤不对称性的物理内涵, 利用阴影成像技术研究了纳秒紫外激光诱使熔石英光学元件表面损伤的时间分辨动力学过程.研究表明,纳秒紫外激光与熔石英作用过程中前后表面损伤的物理机理是完全不同的.前表面处空气中等离子体和冲击波较强, 等离子体的屏蔽作用抑制了余脉冲能量的沉积, 降低了元件损伤程度.而后表面处等离子体吸收激光能量膨胀, 对后表面冲击作用更为严重, 形成的等离子体电子密度可达到10²³cm^-3以上, 反射部分激光能量与入射的激光余脉冲干涉, 使得 关键词： 熔石英 激光诱使损伤 阴影成像技术 光学元件表面     

355 nm激光作用下熔石英损伤增长

 用355 nm脉冲激光分别辐照位于熔石英前后表面的损伤点,用Mias软件采集了损伤增长的图像并测量了每脉冲辐照后损伤点的面积。实验结果表明：位于熔石英样片后表面的损伤点面积随激光辐照脉冲数呈指数增长关系,而位于前表面的损伤点面积与激光辐照脉冲次数呈线性增长关系。     

多波长辐照下熔石英光学元件的损伤及损伤增长

对比研究了基频、二倍频和三倍频激光单独和同时辐照下熔石英光学元件的初始损伤和损伤增长规律, 重点研究了基频和二倍频的加入对三倍频诱导初始损伤和损伤增长的影响, 分析了基频和二倍频相对于三倍频的折算因子。研究结果表明: 当基频和二倍频能量密度较低时, 它们对三倍频损伤几率曲线的影响可以忽略, 但会引起损伤程度的增加; 在多波长同时辐照的损伤增长中, 损伤增长阈值主要取决于三倍频的能量密度, 而损伤增长系数与总的能量密度有关; 折算因子可以同时反映初始损伤和损伤增长的波长效应和波长间的能量耦合效应。     

表面Al膜污染物诱导熔石英表面损伤特性

在熔石英表面人工溅射一层Al膜污染物,分别测试污染前后熔石英基片在355 nm波长激光辐照下的损伤阈值,并采用透射式光热透镜技术、椭偏仪和光学显微镜研究了污染物Al膜的热吸收、厚度以及激光辐照前后熔石英的损伤形貌。用355 nm波长的脉冲激光分别辐照位于污染的熔石英和洁净的熔石英前后表面的损伤点,并用显微镜在线采集损伤增长图样,测试损伤点面积。实验表明：熔石英前表面的金属Al膜污染物导致基片损伤阈值的下降约30%,后表面的污染物导致基片下降约15%,位于熔石英样片后表面损伤点面积随激光辐照次数呈指数增长,而位于前表面的损伤点面积与激光脉冲辐照次数呈线性增长关系;带有污染的熔石英样片的增长因子比洁净的熔石英样片的增长因子高30%。     

杂质诱导熔石英激光的损伤机理

发展了355 nm纳秒激光下亚波长杂质粒子引起熔石英损伤的基本模型。通过Mie散射理论和热传导方程,计算了粒子与熔石英边界处的温度随粒子尺寸的变化关系,并分析了达到临界温度时,不同粒子诱导损伤所需的关键能量密度,讨论了各粒子最易引起熔石英损伤的尺寸。实验采用355 nm纳秒激光脉冲作用熔石英及其HF刻蚀样品,测得两者的损伤概率。研究表明:粒子吸收激光能量,随着粒子半径的增加,其边缘温度先增大后减小,一定尺寸范围内的粒子才会引起熔石英的损伤;关键能量密度所对应的粒子半径为最易引起熔石英损伤的关键粒子半径;经刻蚀后,熔石英样品表面杂质数密度降低,损伤概率降低,损伤阈值提高。     

CO2激光对熔石英表面小尺寸损伤的修复

利用10.6 μm的CO2激光对不同直径的点状损伤和不同宽度的划痕进行了修复。经过波长351 nm的紫外激光考核发现,对于直径小于80 μm的点状损伤和对于宽度小于40 μm的划痕,随着损伤点尺寸和划痕宽度的增加,修复后阈值提高程度逐渐降低。划痕的宽度在达到40 μm以后修复效果非常微弱。修复过程中,由于作用时间较短及温度分布不均产生了热应力导致样片损伤以后产生径向裂痕,后续的紫外激光会使裂痕明显扩展。当样品被置于高温退火炉内退火3 h以后,应力导致开裂的现象得到了解决。