论文部分内容阅读
熔石英材料的激光诱导损伤严重制约了驱动惯性约束聚变反应的高功率激光装置输出功率。提高光学元件的抗激光损伤能力,延长光学元件的使用寿命是目前迫切需要解决的问题。熔石英元件的缺陷被认为是导致损伤阈值降低的重要因素。HF刻蚀是目前广泛使用的元件后期处理技术,通过HF刻蚀,能有效的消除元件的杂质元素,钝化划痕等亚表面缺陷,极大的提高光学元件的损伤阈值。本文探讨了影响熔石英材料激光损伤的机理,重点研究了HF酸刻蚀对材料各主要特性的影响,讨论了HF刻蚀对损伤阈值影响的机理,为进一步确定刻蚀工艺参数提供了理论基础。本文获得的研究结果主要如下:1) HF刻蚀能够有效的提高熔石英材料的损伤阈值。实验发现,使用质量分数为20%的HF进行刻蚀,30min后的损伤阈值从5.87J/cm2增加到8.03 J/cm2。然而,过长时间的刻蚀会使损伤阈值降低,如刻蚀180min后,其损伤阈值降至与未刻蚀样品基本一致。2)通过同步辐射X射线考察了HF刻蚀对表面杂质含量的影响。研究结果表面,熔石英材料表面的主要杂质元素为Ti、Ce、Fe、Ni、Cu和Zn。通过HF刻蚀,不同杂质元素含量有不同程度的降低。由抛光引入的上述吸收性元素是诱导损伤发生的主要原因,主要富集在表面重沉积层。通过选择合适的刻蚀参数,能够有效地降低材料表面的杂质元素含量,提高元件的抗激光损伤能力。3)抛光过程会导致熔石英元件的表面和亚表面区域发生材料改性,这些区域具有与体材料不同的力学性质。纳米压痕测量表明,熔石英材料表面的重沉积层具有较低的表面硬度,而抛光工程中压应力会导致材料亚表面区域材料致密化,硬度增大。通过HF刻蚀,材料表面的改性层逐渐刻蚀,导致表面硬度先增大后减少,并与材料的损伤阈值基本呈线性关系。实验结果表明材料的机械强度是影响激光损伤的重要因素。4)实验观测表明,划痕宽度随刻蚀时间的增加而逐渐增大,表明HF刻蚀能够有效地钝化划痕等亚表面缺陷。通过理论模拟,能够很好的解释划痕形貌的刻蚀效应,并能对划痕形貌随刻蚀的演变规律进行定量分析。5)抛光工艺是引入杂质元素的主要原因。通过光热透镜技术考察了不同抛光工艺的熔石英材料杂质含量,结果表明材料的损伤阈值与表面吸收系数基本呈反比。证明了杂质含量是影响损伤特性的主要因素。