大功率激光系统对光学元件的抗激光损伤能力提出了苛刻的要求,激光预处理能清除元件表面杂质,减少亚表面缺陷数量,提升激光损伤阈值。本课题研究目的就是为了建立激光预处理工艺的主体流程,重点确定紫外激光预处理和CO2激光预处理的工艺参数,主要包括:1. HF酸刻蚀工艺研究。通过酸刻蚀处理,去除掉元件表面的抛光磨料(CeO2等)和亚表面缺陷(SSD),对较深的点状缺陷和划痕起到钝化作用。实验发现,用质量分数为1%的HF溶液对熔石英表面进行刻蚀,10 min后发现其损伤阈值从6.13 J/cm2提升到6.93 J/cm2。更长时间的刻蚀也能增加阈值,但是对表面粗糙度和面形的影响不可忽略。2.紫外激光预处理工艺参数研究。采用低于光学元件零损伤阈值(Fth0)的激光能量对元件表面进行辐照,可以对元件表面的杂质与污染进行清除,同时提前引爆低阈值点,消除电子缺陷。实验发现,紫外激光预处理虽然对刻蚀后的熔石英阈值提升不太明显,过度的处理甚至会降低损伤阈值(预处理能量密度小于零损伤阈值的60%时,阈值提升约10%,预处理能量密度超过80%后,阈值迅速下降)。但在预处理工艺中是一个不可缺少的流程,紫外激光预处理提前暴露表面缺陷,减少了系统运行的风险,并为后续的缺陷修复工作做好准备。3. CO2激光预处理。CO2激光预处理是整个预处理流程的核心,波长10.6μm的CO2激光照射元件表面,致使表面局部急剧加热而出现熔化、流动和蒸发,熔融物在表面的流动使得亚表面的微缺陷愈合,达到提高损伤阈值的效果。本文通过控制CO2光斑的大小及能量密度,光斑在样品上的移动路径,达到不同缺陷的预处理目的。对于尺寸小于20μm的缺陷,可以通过直径4 mm的大光斑、全口径扫描的方式得到较好的修复。缺陷点尺寸大于20μm且小于80μm时,可以用直径约700μm的光斑在缺陷点上固定位置辐照,持续150-200 ms的激光辐照能够使得缺陷愈合。尺寸为80μm-500μm的缺陷,采用2 mm-4 mm的大光斑进行单点修复。实际工作中,经常遇到同一样品上集中大小不同缺陷的情形,这就需要结合扫描与固定点辐照两种方式。总而言之,针对不同大小的缺陷分布,可以采用多种修复方式相结合的办法达到目的。4.对CO2激光预处理后的烧蚀和应力进行初步探索,通过改变预处理作用方式和后续的退火工艺来尽力消除预处理所引入的负面影响。从实际使用的角度出发,离线的热退火工艺更加方便。CO2激光预处理后的样品,经过700-800℃,约3小时的退火处理后,残余应力得到很好的释放。退火气氛研究发现,在空气中退火,并对样品加以保护以防止污染的发生,可以得到令人满意的处理效果。