熔石英材料具有优良的光学、力学及机械性能,主要用于制作紫外光学元件,被广泛地应用于高功率激光系统,其负载能力很大程度上取决于熔石英元件的抗激光损伤能力。然而,熔石英光学元件在紫外激光辐照下容易损伤,严重降低了光学元件的使用寿命和高功率激光装置的负载能力,成为制约惯性约束聚变发展的瓶颈。提升熔石英元件的负载能力已成为目前迫切需要解决的问题之一。从损伤机制来看,通常提升熔石英抗激光损伤能力的途径从以下两个方面出发:(1)减少甚至去除熔石英表面的缺陷,降低其损伤的概率;(2)施加压应力,强化表面,同时降低或抵消激光辐照转换而来的热致应力,使其低于光学材料断裂的临界应力。目前关于熔石英表面缺陷和表面应力与激光损伤的关系的报道还很少。本论文基于离子束与材料相互作用的两个主要效应:溅射和注入,研究了基于溅射的离子束刻蚀去除熔石英表面缺陷,改善表面质量,提升熔石英元件激光损伤阈值;研究了离子注入在熔石英表面形成压应力层,强化表面,进一步提升熔石英抗激光损伤性能。论文主要内容及研究结果如下:1.研究了离子束刻蚀参数对熔石英表面离位损伤、刻蚀速率、表面质量及激光损伤阈值的影响。结果表明,离子能量越大及入射角越小,离位损伤越严重,损伤深度越深;刻蚀速率随着离子能量的增加而增加,随着束流的增加呈线性增加,随着离子入射角度的增加先增加后减小。离子束刻蚀可以去除金属杂质,钝化或去除表面缺陷,改善表面质量,提升熔石英的激光损伤阈值。本论文优化的离子束参数为:能量800 eV、束流300 mA及离子入射角度范围为0~o~30~o及≥70~o。2.采用大入射角离子束对熔石英表面进行逐层去除,研究了刻蚀后熔石英表面金属杂质和缺陷、表面分子结构变化及其对激光损伤阈值的影响;同时分析了熔石英表面激光损伤机理。结果表明,金属杂质元素主要分布在熔石英表面0~200nm的深度范围;刻蚀500 nm后,暴露出大量的亚表面缺陷,缺陷的尺寸和数量最大,表面质量恶化;随着刻蚀深度进一步增加,亚表面缺陷逐步去除,表面质量得到改善;随着刻蚀深度的增加,结构型缺陷密度和Si-O-Si键角减小而表面密度增加;熔石英表面金属杂质对紫外激光具有很强的吸收,是制约激光损伤阈值提升的关键因素;此外,亚表面缺陷会导致光场调制,限制了激光损伤阈值的进一步提升。3.针对离子束刻蚀和HF酸刻蚀各自的局限性,提出了复合刻蚀方法,即大角度离子束刻蚀+动态HF酸刻蚀。离子束刻蚀能够有效地去除熔石英表面金属杂质及亚表面缺陷,减少了HF酸对熔石英的刻蚀去除量,避免了缺陷的复制扩展,反应产物的沉积,面型的恶化。HF酸刻蚀能够去除离子束刻蚀引起的原子尺度的损伤层,并改善离子束刻蚀后的面型,提高刻蚀效率。采用70~o离子束刻蚀熔石英表面2μm后,再采用HF酸刻蚀3μm,熔石英元件的激光损伤阈值为35.54 J/cm~2,提升了102.74%。4.研究了Ar~+、He~+、N~+离子注入对熔石英的激光损伤行为的影响。结果表明,离子注入的同时伴随着溅射效应,钝化表面缺陷,粗糙度略微降低;离子注入过程中,缺陷的复合起主要作用导致结构型缺陷密度减小;离子注入均导致熔石英表面Si-O-Si键角减小,密度增加,形成了压应力层,从而增强了熔石英表面的力学性能。相较于He~+离子注入,Ar~+离子注入后熔石英表面粗糙度较小,压应力较大,激光损伤阈值提升较多。对于N~+离子注入,会与键断裂的硅氧结合,形成氮硅化物,结构型缺陷密度最小,硬度最大,激光损伤阈值提升幅度最大,但是增加了光学击穿的可能性。5.采用不同能量、注量氩离子注入熔石英表面,研究了氩离子注入对熔石英表面形貌、微结构、光学和力学性能以及激光损伤性能的影响规律。结果表明,离子注入的挤压作用可以弥合熔石英表面的微裂纹;离子注入的同时伴随着溅射效应,钝化表面缺陷,粗糙度略微降低,但是,当注量超过1×10~177 ions/cm~2时,由于氩气泡的出现,粗糙度增加,表面质量恶化;离子注入过程中,结构缺陷的产生与复合相互竞争,导致缺陷密度随着离子能量和注量的增加,先减小后增加,在能量为10 keV、注量为1×10~177 ions/cm~2时,缺陷密度及种类最少;氩离子注入导致熔石英表面Si-O-Si键角减小,密度增加,形成了压应力层,从而增强了熔石英表面的力学性能;氩离子注入提升熔石英激光损伤阈值是缺陷密度的减少、表面质量的改善、压应力的形成等多种因素综合作用的结果,熔石英表面压应力对紫外激光辐照下损伤增长也有一定的抑制作用。