论文部分内容阅读
摘 要：CO2激光修复技术是修复熔石英光学元件激光损伤的主要方法，但是在修复过程中可能出现烧蚀、气泡、残余应力、调制等问题，尤其是残余应力问题，如果不加以控制极易导致光学元件再损伤和局部开裂。本文主要研究了在利用CO2激光修复熔石英光学元件的激光诱导损伤过程中的残余应力控制。通过塞纳蒙（Senarmont）应力检测法，测量应力双折射产生的光程差随激光退火时间的变化关系，发展了一种临界损伤尺寸开裂法精确测量激光退火后的残余应力，有效控制了产生的残余应力，提升了熔石英光学元件损伤点的抗损伤能力。
关键词：激光损伤修复 残余应力 塞纳蒙（Senarmont）应力检测法 熔石英
中图分类号：TN24 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（b）-0058-02
在高通量三倍频紫外激光作用下，熔石英光学元件（包括楔形透镜、取样光栅、真空窗口等）的激光诱导损伤问题是制约高功率固体激光装置负载能力的关键问题之一。激光诱导损伤不仅会直接导致激光能量的散射损耗并给腔内带来喷溅污染物，而且更严重的后果是熔石英元件的紫外激光损伤点在后续激光辐照下其尺寸和深度会快速增长，严重影响了光学元件的稳定性和使用寿命。目前熔石英光学元件表面的激光诱导损伤仍然是限制高功率激光装置稳定运行的瓶颈。由于大口径的熔石英光学元件加工周期长价格昂贵，频繁的更换和重新抛光光学元件需要大量的时间和巨额的费用，这对于维持高功率固体激光装置高效经济的运行显然是不可取的。
NIF采用的修复熔石英光学元件损伤的方法是CO2激光修复技术，利用CO2激光加热熔融的方式，消除损伤点内部缺陷、裂纹等易导致损伤快速增长的因素，从而达到抑制其增长的目的。然而，CO2激光修复工艺研究固有的缺点是在修复过程中可能出现烧蚀、气泡、残余应力、调制等问题[1]，尤其是残余应力问题，如果不加以控制极易导致光学元件再损伤和局部开裂。本文主要研究了在利用CO2激光修复熔石英光学元件的激光诱导损伤过程中，使用激光在线退火的残余应力控制技术。
1 激光在线退火原理
在利用CO2激光对熔石英元件的损伤修复后如果直接关闭激光，元件骤冷会导致熔石英结构快速固化，从而形成较大的应力、应变。研究前期，我们采用高温炉退火技术对形成的残余应力进行退火去除，虽然可以有效去除残余应力，但是退火时会产生表面污染，需要在退火后进行氢氟酸溶液刻蚀。根据NIF文献，我们在CO2激光修复结束后增加一段功率缓降的激光辐照，进行在线激光退火，材料结构有足够的时间进行弛豫，应力、应变得到一定程度释放，可以达到改善残余应力的目的[2]。由于是在线激光退火，减少了高温炉退火和氢氟酸溶液刻蚀两道工序，因此极大地提高了工作效率。
2 塞纳蒙（Senarmont）法应力检测探索激光退火規律
图1是CO2激光损伤修复过程形变示意图，修复损伤点时局域温度高于玻璃转变温度，损伤材料熔融流动去除裂纹，然而作用结束后温度急速降低，形成塑性变形区，产生残余应力[3]。
修复点残余应力分布可以由光弹性法进行测量[1]，图2 （a）所示是典型的修复点应力偏光图，由于损伤修复熔融区域的独特结构，其分布具有角对称性，可以观察到最大的相位延迟位于修复点的周围，如图2（a）中红圈标注区域，此处应力光程差的大小直接与残余应力的值正相关。通过塞纳蒙（Senarmont）法测量这个位置的应力光程差的值，可以有效判断退火参数是否有效。图2（b）所示是选定的一组激光退火参数改善残余应力随时间变化的情况，可以看出作用时间超过一定值后应力光程差趋于稳定。利用这种方法，通过一系列的参数研究，成功掌握了激光退火的规律，并优化出最佳激光退火参数。
3 临界损伤尺寸开裂法精确测量残余应力
塞纳蒙（Senarmont）应力检测法只能测量应力双折射产生的光程差，对CO2激光修复点，由于应力分布不均匀以及应力存在深度和应力在深度方向的分布都无法测量，因而，无法通过光程差求出应力的大小，只能定性给出残余应力的变化，不能定量给出残余应力的大小。为了精确表征激光退火后残余应力的大小，我们发展了一种临界损伤尺寸开裂法精确测量激光退火后的残余应力。这种方法在光程差最大处引入损伤点，当其尺寸增长到某一值时，残余应力就会释放导致损伤点严重开裂，如图3所示。通过在修复点的光程差最大处人为引入一系列一定大小的损伤点，观察是否有失稳进一步开裂的情况，可以精确地推导出局域的残余应力大小。
通过统计引起开裂的损伤尺寸值，根据损伤点尺寸与临界应力的关系，推导出的修复点不退火和激光退火后的残余应力值的大小如表1所示，可以看出激光退火后残余应力改善明显，降低到17MPa以下，小于NIF提出的25MPa。上述实验数据说明CO2激光修复技术在光学元件的循环使用过程中不会出现残余应力释放损伤点失稳扩展的情况。
4 结语
通过对CO2激光修复技术的系统研究，掌握了激光退火规律，利用激光在线退火技术，有效控制了产生的残余应力，并且在退火过程中无污染，有效地提升了熔石英光学元件损伤点的抗损伤能力。对于维持高功率固体激光装置高效经济的运行提供了强有力的支撑。
参考文献
[1] Y. Jiang，X.Xiang，C.M.Liu，et al.Two localized CO2 laser treatment methods for mitigation of UV damage growth in fused silica[J].Chinese Physics B，2012，21（6）：299-306.
[2] C.C.Zhang，W.Liao，L.J.Zhang，et al.Investigation of Control of Residual Stress Induced by CO2 Laser-Based Damage Mitigation of Fused Silica Optics[J].Advances in Condensed Matter Physics，2014（2014）：302-306.
[3] W.Dai，X.Xiang，Y.Jiang，et al.Surface evolution and laser damage resistance of CO2 laser irradiated area of fused silica[J].Optics and Lasers in Engineering，2011，49（2）：273-280.
关键词：激光损伤修复 残余应力 塞纳蒙（Senarmont）应力检测法 熔石英
中图分类号：TN24 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（b）-0058-02
在高通量三倍频紫外激光作用下，熔石英光学元件（包括楔形透镜、取样光栅、真空窗口等）的激光诱导损伤问题是制约高功率固体激光装置负载能力的关键问题之一。激光诱导损伤不仅会直接导致激光能量的散射损耗并给腔内带来喷溅污染物，而且更严重的后果是熔石英元件的紫外激光损伤点在后续激光辐照下其尺寸和深度会快速增长，严重影响了光学元件的稳定性和使用寿命。目前熔石英光学元件表面的激光诱导损伤仍然是限制高功率激光装置稳定运行的瓶颈。由于大口径的熔石英光学元件加工周期长价格昂贵，频繁的更换和重新抛光光学元件需要大量的时间和巨额的费用，这对于维持高功率固体激光装置高效经济的运行显然是不可取的。
NIF采用的修复熔石英光学元件损伤的方法是CO2激光修复技术，利用CO2激光加热熔融的方式，消除损伤点内部缺陷、裂纹等易导致损伤快速增长的因素，从而达到抑制其增长的目的。然而，CO2激光修复工艺研究固有的缺点是在修复过程中可能出现烧蚀、气泡、残余应力、调制等问题[1]，尤其是残余应力问题，如果不加以控制极易导致光学元件再损伤和局部开裂。本文主要研究了在利用CO2激光修复熔石英光学元件的激光诱导损伤过程中，使用激光在线退火的残余应力控制技术。
1 激光在线退火原理
在利用CO2激光对熔石英元件的损伤修复后如果直接关闭激光，元件骤冷会导致熔石英结构快速固化，从而形成较大的应力、应变。研究前期，我们采用高温炉退火技术对形成的残余应力进行退火去除，虽然可以有效去除残余应力，但是退火时会产生表面污染，需要在退火后进行氢氟酸溶液刻蚀。根据NIF文献，我们在CO2激光修复结束后增加一段功率缓降的激光辐照，进行在线激光退火，材料结构有足够的时间进行弛豫，应力、应变得到一定程度释放，可以达到改善残余应力的目的[2]。由于是在线激光退火，减少了高温炉退火和氢氟酸溶液刻蚀两道工序，因此极大地提高了工作效率。
2 塞纳蒙（Senarmont）法应力检测探索激光退火規律
图1是CO2激光损伤修复过程形变示意图，修复损伤点时局域温度高于玻璃转变温度，损伤材料熔融流动去除裂纹，然而作用结束后温度急速降低，形成塑性变形区，产生残余应力[3]。
修复点残余应力分布可以由光弹性法进行测量[1]，图2 （a）所示是典型的修复点应力偏光图，由于损伤修复熔融区域的独特结构，其分布具有角对称性，可以观察到最大的相位延迟位于修复点的周围，如图2（a）中红圈标注区域，此处应力光程差的大小直接与残余应力的值正相关。通过塞纳蒙（Senarmont）法测量这个位置的应力光程差的值，可以有效判断退火参数是否有效。图2（b）所示是选定的一组激光退火参数改善残余应力随时间变化的情况，可以看出作用时间超过一定值后应力光程差趋于稳定。利用这种方法，通过一系列的参数研究，成功掌握了激光退火的规律，并优化出最佳激光退火参数。
3 临界损伤尺寸开裂法精确测量残余应力
塞纳蒙（Senarmont）应力检测法只能测量应力双折射产生的光程差，对CO2激光修复点，由于应力分布不均匀以及应力存在深度和应力在深度方向的分布都无法测量，因而，无法通过光程差求出应力的大小，只能定性给出残余应力的变化，不能定量给出残余应力的大小。为了精确表征激光退火后残余应力的大小，我们发展了一种临界损伤尺寸开裂法精确测量激光退火后的残余应力。这种方法在光程差最大处引入损伤点，当其尺寸增长到某一值时，残余应力就会释放导致损伤点严重开裂，如图3所示。通过在修复点的光程差最大处人为引入一系列一定大小的损伤点，观察是否有失稳进一步开裂的情况，可以精确地推导出局域的残余应力大小。
通过统计引起开裂的损伤尺寸值，根据损伤点尺寸与临界应力的关系，推导出的修复点不退火和激光退火后的残余应力值的大小如表1所示，可以看出激光退火后残余应力改善明显，降低到17MPa以下，小于NIF提出的25MPa。上述实验数据说明CO2激光修复技术在光学元件的循环使用过程中不会出现残余应力释放损伤点失稳扩展的情况。
4 结语
通过对CO2激光修复技术的系统研究，掌握了激光退火规律，利用激光在线退火技术，有效控制了产生的残余应力，并且在退火过程中无污染，有效地提升了熔石英光学元件损伤点的抗损伤能力。对于维持高功率固体激光装置高效经济的运行提供了强有力的支撑。
参考文献
[1] Y. Jiang，X.Xiang，C.M.Liu，et al.Two localized CO2 laser treatment methods for mitigation of UV damage growth in fused silica[J].Chinese Physics B，2012，21（6）：299-306.
[2] C.C.Zhang，W.Liao，L.J.Zhang，et al.Investigation of Control of Residual Stress Induced by CO2 Laser-Based Damage Mitigation of Fused Silica Optics[J].Advances in Condensed Matter Physics，2014（2014）：302-306.
[3] W.Dai，X.Xiang，Y.Jiang，et al.Surface evolution and laser damage resistance of CO2 laser irradiated area of fused silica[J].Optics and Lasers in Engineering，2011，49（2）：273-280.