（凝聚态物理专业论文）强激光和等离子体对光学元件的表面洁净处理研究.pdf

摘要 摘要 在激光惯性约束聚变( i c f ) 的研究过程中，需要建造大规模高功率固体激光 驱动器，而光学元件表面是否洁净是激光装置能够正常运行的关键问题之一。实 验表明，在真空环境下光学元件的表面存在着真空硅脂污染物( 7 5 0 1 # ) 。这些污染 物会使光束质量下降，也可能使元件的损伤阈值降低。因此开展对光学元件的清 洗研究非常必要。 本文首先回顾了光学材料损伤的一般机理，指出了光学基片的表面状况对光 学材料的激光损伤情况有重要的影响。然后对脉冲激光的清洗机理以及等离子体 清洗的一般性机理进行了阐述。从两个方面进行了研究，第一个方面，对短脉冲 激光的清洗效果进行了研究。用3 5 1 n m 短脉冲激光对熔石英、k 9 玻璃上的真空硅 脂进行了清洗研究，发现在用3 51 n m 短脉冲激光清洗时，k 9 玻璃在前表面清洗时 的效果要好于后表面，而对于熔石英却相反，后表面的清洗效果要好于前表面。 并对该现象进行了解释：根据光压理论，熔石英、k 9 玻璃的后表面的压力都大于 前表面，所以在后表面都存在清洗效果，但是光热透射技术表明，在3 5 1 n m 波长 激光作用下，由于k 9 玻璃的热吸收要远大于熔石英，k 9 玻璃的热膨胀效果要远 大于熔石英的热膨胀效果，所以在迎光面的清洗效果较好。本文的另外一个重要 研究方面就是用c 0 2 连续激光和等离子体结合，对熔石英上的真空硅脂进行了清 洗研究。通过光学显微镜、接触角、透过率和损伤阈值测量表征了激光和等离子 体对真空硅脂污染过的石英基片的清洗效果，对于真空硅脂蒸发污染后的石英基 片，可以先采用低能量的c 0 2 激光进行大面积清洗，再用真空等离子体进行精细 清洗。清洗前后，水滴接触角由6 3 0 下降到4 0 ；在4 0 0 n m 附近，透过率由9 2 3 上升到9 3 o ；在波长为3 5 1 n m ，脉宽为6 n s 单脉冲激光作用下，损伤阈值由3 7 7 j u 菹r t 2 上升到5 0 9j c 1 1 1 2 。表明激光清洗和等离子体清洗相结合能有效提高石英基 片的激光损伤阈值。 关键词：光学基片，硅油脂，激光清洗，等离子清洗，光热透射技术 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a s e ri n e r t i a lc o n f i n e m e n tf o rf u s i o n ( i c f ) i ti si m p o r t a n t t ob u i l dl a r g es c a l eh i 曲p o w e rs o l i dl a s e rd r i v e r t h ee f f e c to fi m p u r i t i e si sak e yf a c t o r t ok e e pt h el a s e rd r i v e ri nn o r m a lo p e r a t i o n e x p e r i m e n t ss h o w nt h a tt h es u r f a c eo f o p t i c a le l e m e n t si sp o l l u t e db ys i l i c o n e sg r e a s e s ( 7 5 0 1 # ) i nt h ev a c u u me n v i r o n m e n t a sar e s u l t , l a s e rb e a mq u a l i t yi sd e c l i n e , a n dl a s e rd a m a g et h r e s h o l do fo p t i c a l e l e m e n t si sa l s od e s c e n d e d t h e r e f o r e , i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ec l e a n i n gt e c h n i q u eo f o p t i c a le l e m e n t s f i r s t l y , t h i sp a p e fp r o v i d e sar e v i e wo ft h en o r m a ll a s e r - i n d u c e dd a m a g e m e c h a n i s mo fo p t i c a le l e m e n t s ，a n dp o i n t so u tt h a tt h ee f f e c t so fi m p u r i t i e so nt h e s u r f a c eo fo p t i c a le l e m e n t si sak e yf a c t o rt ok e e pt h el a s e rd r i v e ri nn o r m a l d r i v e r t h e nb o t ho ft h el a s e r - i n d u c ec l e a n i n gm e c h a n i s ma n dt h ep l a s m a - i n d u c e c l e a n i n gm e c h a n i s ma r ed e s c r i b e d s e c o n d l y , t w oa s p e c t sr e l a t e dt oc l e a n i n gm e t h o d s a r ed i s c u s s e d o n eo ft h ec l e a n i n ge f f e c to fs i l i c o n eg r e a s e so nt h es i l r f a c eo ff u s e d s i l i c aa n dk 9g l a s si n d u c e db y3 5l n ms h o r tp u l s ei sd e s c r i b e d f o rt h ek 9g l a s s ，t h e c l e a n i n ge f f e c t so ff r o n ts u r f a c ea r eb e t t e rt h a nb a c ks u r f a c e h o w e v e r , f o rt h ef u s e d s i l i c a , t h ec l e a n i n ge f f e c t so f b a c ks u r f a c ea r eb e t t e rt h a nf r o ms u r f a c e b a s eo nt h e t h e o r e t i c a lo fl i g h tp r e s s u r e ，t h ep r e s s u r eo fb a c ks u r f a c ea r es t r o n g e rt h a nf r o n ts u r f a c e f o r 也ek 9g l a s sa n df u s e ds i l i c a , b u ta c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dr e s u l t so ft h el a s e r p h o t o t h e r m a lt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e , t h et h e r m a la b s o r p t i o no ft h ek 9g l a s si sg r e a t e r 也a nf u s e ds i l i c ai r r a d i a t e db y3 5in ml a s e r t h e r e f o r e t h ee f f e c t so fh e a te x p a n s i o no f f r o n ts u r f a c eo fk 9g l a s si s s t r o n g e rt h a nt h e f r o n ts u r f a c eo ff u s e ds i l i c a , a n d c o r r e s p o n d i n ge f f e c t so fc l e a n i n ga r ea c h i e v e d n 托a n o t h e ri m p o r t a n te f f e c ti sc l e a n i n g s i l i c a - o i l a n d g r e a s eo nt h es u r f a c eo ff u s e ds i l i c at h eb yc 0 2l a s e rc l e a n i n gm e t h o d c o m b i n i n gp l a s m ac l e a n i n gm e t h o d 1 h ef u s e ds i l i c as u r f a c e , w h i c hp o l l u t e db y e v a p o r a t i v es i l i c o n e sg r e a s e ，a r ec l e a n e db yc 0 2l a s e ra n dp l a s m a n es a m p l ei s c h a r a c t e r i z e dv i at h eo p t i c a lm i c r o s c o p y , t h es u r f a c ec o n t a c ta n g l e t h eo p t i c a l t r a n s m i t t a n c ea n dt h el a s e rd a m a g et h r e s h o l dm e a s u r e m e n t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h es u b s t r a t ec o u l db ew e l lc l e a n e db yl o we n e r g yc c hl a s e rc o m b i n e dw i m v a c u u mp l a s m a a f t e rc l e a n i n g , t h ec o n t a c ta n g l eo fq u a r t zs u b s t r a t e sd e c r e a s e sf r o m 6 3 0t 04 0 ，t h et r a n s m i t t a n c ei n c r e a s e sf r o m9 2 - 3 t o9 3 0 ，a n dt h ed a m a g et h r e s h o l d i n c r e a s e sf r o m3 7 7j c r n zt o5 0 9j e m zw h e ni r r a d i a t e db y3 5 1 n m , 6 n ss i n g l ep u l s e l a s e r k e yw o rd s ：o p t i c a ls u b s t r a t e ，s i l i c a - o i l - a n d g r e a s e , c 0 2l a s e rc l e a n i n g , p l a s m ac l e a n i n g ， p h o t o t h e r m a lt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 繇型卑一 日期：叩年占屠日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：汐7 年多月7 日 第一章引言 1 1 研究意义 第一章引言 全球经济的高速发展，能源问题已经成为各个国家研究的重大问题。由于石 油、天然气、煤的存储量日益减小，且核裂变能的开发时存在着核辐射以及后处 理等问题，因此核聚变能的开发和利用显得格外重要。目前核聚变能的应用研究 方向主要由两个方面，一个方面是磁约束核聚变，我国已经率先成功地实现了托 卡马克聚变装置；另一个就是激光约束核聚变。要实现激光约束核聚变，则需要 有高功率激光器来驱动，而光学元件的抗激光破坏的能力( 激光损伤阈值) 的提 高已经成为实现高功激光器的瓶颈问题之一。光学元件表面的洁净程度则是影响 激光损伤阈值重要因素之一。 随着高功率固体激光装置的进一步开展，对光学元件的表面洁净要求越来越 高，常规加工的光学元件和薄膜的表面存在许多污染物( 微粒、油污、指纹等) ， 这些污染物的存在一方面导致光束质量发生变化，导致光束能量重新分布，有可 能导致后路元件的局部能量过高而使损伤阈值的下降；另一方面，污染物的存在 有可能导致光学元件和薄膜的表面局部吸热过高而导致损伤阈值的下降。 传统的清洗方法一般指湿式化学清洗法和超声波清洗方法。它指的是将待洗 的污染物放置于有机清洗剂液体中( 如c f c ，一种含碳的、氟、氯的有机体和三 氯乙烯等) ，通过超声波的高频振动以去除油污。这种清洗方法的缺点是向大气排 放大量的c 、f 、c l 等元素而恶化环境，同时高频超声波振动的噪声也对人体健康 造成损坏，许多国家从保护环境的角度出发以限制使用这种方法【1 1 。另外，在进行 清洗的过程中，需要不断地拆卸光学元件，这就造成了两个方面的后果：一方面， 增加了待清洗光学元件人为损坏的几率；另一方面，对大型激光装置而言，要频 繁地对大量的光学元件进行离线清洗，对操作人员能否在短时间内能否完成也是 一个极大的挑战。因此，寻找一种新的洁净、高效的清洗方法，也是大型激光装 置能够高效、稳定运行需要。而激光和等离子体清洗等新型的清洗方法以其“绿 色 、易实现自控制、对一些特殊的污染物( 如指纹) 有清洗效果等特点有可能在 在大型激光装置的洁净工程中得到特殊的应用。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 研究现状 1 2 1 国内外激光清洗的研究现状 激光清洗技术是激光和物质相互作用的一种新技术，早在上世纪八九十年代 就有国外学者进行研究，例如，1 9 8 2 年前苏联的两位科学家报道，用2 0 w 的c 0 2 连续激光器可以高效而快捷地清除柏油路面的燃料斑和油斑【。综合起来，激光清 洗的应用可以包括以下几个方面： ( 1 ) 激光除锈 当要清除的对象是桥梁、电视发射塔、高压输电线路的铁架等高架建筑物的 表层锈蚀时，采用激光装置能使金属表面发生氧化的锈蚀层迅速熔化蒸发而不伤 及金属构件本身。同时，金属表面发生化学反应，形成一层几微米厚的保护层以 防止金属进一步锈蚀晗1 。 ( 2 ) 激光除漆 美国新泽西州的一家公司采用一种专用的脉冲c 0 2 激光器来烧蚀漆层。该激光 系统可以每一脉冲将0 0 0 5i i l f l l 厚的漆层汽化而基体仍保持冷态，不受损伤。这种 激光的光束面积大，在1 小时内可以将厚度l m m 、面积3 6 m 2 的漆层剥离，并有真空 系统及过滤器对废渣进行处理。这种工艺的优点是成本低，基体无损伤，干净， 操作完全自动化圆。 国内华中科技大学的郭为席等人用高功率t e ac 0 2 脉冲激光器对不同种类的 油漆进行了实验，确定了各种油漆的清洗阈值以及能量密度和重复频率对清洗效 果的影响【3 】。 ( 3 ) 激光清除有机绝缘层 在微电子工业中，常用准分子激光进行选择性加工。其应用主要有个方面： 第一，用准分子激光从金属基底上去掉聚合物膜、粘合剂或光刻胶，而不损伤金 属基底；第二，准分子激光还可从非金属基底上清除数微米厚的金属膜，但基体 不受影响。可以认为大部分激光能量被金属膜吸收，导致局部熔化，部分能量穿 透金属到了金属基体的界面，产生了一种压力使熔化的金属迅速地被清除。 ( 4 ) 激光清除轮胎的模具 每年全世界的轮胎生产企业制造数亿个轮胎，生产过程中轮胎模具的清洗必 须迅速可靠，以节省停机的时间。传统的清洗方法包括喷沙、超声波或二氧化碳 清洗等，但这些方法通常必须在高热的模具经数小时冷却后，再移往清洗设备进 2 第一章引言 行清洁，清洁所需的时间长，并容易损害模具的精度，化学溶剂及噪声还会产生 安全和环保等问题。由于激光清洗方式可用光纤连接而将光导至模具的死角或不 易清除的部位进行清洗，因此使用非常方便。 ( 5 ) 电子工业中的清洗 电子工业使用激光去除氧化物：电子工业需要高精度地去污，特别适合采用 激光去氧化物。在电路板焊接前，元件针脚必须彻底去氧化物以保证最佳的电接 触。因为对于微电路，微米级的个别外来微粒都是危险的，容易造成电路失效。 基片表面残存的颗粒主要为金属碎片、光致抗蚀剂屑、金属离子、有机薄膜等， 颗粒的直径范围为0 1 - - 8 0 p m ，使用激光可以清除这些微粒。 ( 6 ) 精密机械工业中的精确去酯清洗 精密机械工业常常需对零件上用来润滑和抗腐蚀的酯类及矿物油加以清除， 通常是用化学方法，而化学清洗往往仍有残留物。激光去酯可以将酯类及矿物油 完全去除，不损伤零件表面。其污染物去除是由冲击波完成，零件表面氧化物薄 层爆炸性气化形成了冲击波，导致污物去除，而非机械互作用。材料彻底去酯用 于航天工业机械零件的清理。机械零件加工中的油酯去除同样可采用激光清洗。 ( 7 ) 核电站反应堆内管道清洗 激光清洗系统还应用于核电站反应堆内管道的清洗。它采用光导纤维，将高 功率激光束引入反应堆内部，直接清除放射性粉尘，清洗下来的物质清理方便。 而且由于是远距离操作，可以确保工作人员的安全。 ( 8 ) 古文物的清洗和修复 利用激光清洗，可以对各种古文物上的各种污染物进行有效清洗和修复，且 比常规清洗效率高很多倍。还可以对建筑物的各种石材上的黑斑、色斑进行清除。 欧盟国家用这种技术来进行石雕、青铜器、镀金器物、羊皮卷、陶器、木器、石 膏像、纺织品、绘画、古文献等文物的诊断、保护、修复工作。 国内学者开展了短脉冲激光清洗油脂的研究h 吲，也有学者用c o ：激光实现对电 缆芯插头霉菌进行清洗口3 以及光学基片表面软质抛光胶体粒子的激光清洗嗍，但是 总体来讲，都处于跟踪国外技术阶段，系统性不强。 综上所述，激光清洗技术以其“绿色”、非接触、易操作、有选择性、效率高 等特点有望在洁净行业发挥其独特的作用。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 2 2 国内外在等离子体清洗方面的研究状况 等离子体是指被电离的气体，它与固态、液态和气态物质比较有不同的物理 和化学性质，因此等离子体也被称为物质的第四态。由于等离子体中存在大量的 电子、正离子、自由基、亚稳态的分子和原子等，当等离子体与被清洗的物质表 面相互接触时，会产生物理刻蚀、化学分解等物理和化学过程，从而分解或清除 掉污染物，对于是采用的低温冷等离子体( 温度一般小于2 0 0 0 ) ，因此不会对基 底材料造成任何损伤p j 。 等离子体技术在本世纪6 0 年代起就开始应用于化学合成、薄膜制备、表面处 理和精细化工等领域，在大规模或超大规模集成电路工艺干法化、低温化方面， 近年来也开发应用了等离子体聚合、等离子体蚀刻、等离子体灰化及等离子体阳 极氧化等全干法工艺技术。等离子清洗技术也是工艺干法化的进步成果之一。 等离子清洗的机理是依靠处于“等离子态的物质的“活化作用 达到去除 物体表面污渍的目的。从目前各类清洗方法来看，可能等离子体清洗也是所有清 洗方法中最为彻底的剥离式的清洗。 1 9 9 7 年美国的l o sa l a m o s 国家实验室采用射频技术成功实现在常压下气体的 温和等离子体大面积放电，称为a p p j 技术。这一重大突破意味着低温气体放电可 以直接在常压下进行，从而省去了真空室所带来的空间和操作方面的限制。该技 术在美国立即受到工业界的高度关注，并被立即应用于工业清洗、生化武器污染 的清洗、杀毒灭菌、刻蚀放射性材料等领域，由于其具有潜在的广阔应用前景。 该技术的诞生为从根本上解决有机、生物和放射性，污染提供了最可靠的手段。 以该技术为基础，在2 0 0 2 年美国成立了s u r f x 的技术公司，主要从事工业等离子体 清洗和表面改性的业务。在德国e s s e n 大学d o e b e l e 教授领导的研究所，也开展常 压冷等离子体技术的研究，目前他们正开展清洗生物污染的研究工作。在日本， 松下电工也成立了一个叫a i p l 姗a 的公司，主要是用冷等离子体技术清洗微电子 器件和液晶显示屏器件。 等离子体清洗的应用主要有以下几个方面【1 0 , 1 1 】： ( 1 ) 对焊接引线的清洗 主要有两个方面的应用，一个是对电子线路引脚的清洗，另外一个是集成芯 片i c 生产线中是一道关键工艺，对封装的可靠性有重要影响。 ( 2 ) 对电子元器件表面油污的清洗 用等离子清洗不仅可以去除硬盘在溅镀工艺遗留下来的残留物，而且可使硬 4 第一章引言 盘基材表面得到处理，对改变基材的润湿性和磨擦性都有好处。 ( 3 ) 清洗液晶显示器表面的油污 液晶显示器的等离子体清洗的气体是氧气。氧气是活泼气体有很强的反应能 力可以将液晶显示器表面的油垢以及固体污垢微粒清除干净经过氧气等离子体清 洗后有机污垢的分子最终被氧化成水和二氧化碳等小分子并随气体排出。 ( 4 ) 去除半导体表面的光致抗蚀膜 用等离子体( 使用不活泼气体c f 4 ) 还可以清洗硅晶片表面上的光致抗蚀膜， 称为腐蚀去除的脱膜过程。 ( 5 ) 等离子体清洗塑料制品 由于等离子体清洗具有清污除油效果好，不仅不会对塑料基体的性能造成不 良影响，而且在一定程度上还能改善塑料的表面性能。 ( 6 ) 等离子体清洗玻璃表面的污垢 用等离子体清洗可以除去各种玻璃制品上的污垢，所清洗的玻璃不仅包括普 通玻璃而且包括各种光学镜头用玻璃、电视荧光屏、彩管玻璃等特种玻璃被清除 的污垢通常是水和油。 在用等离子体清洗过程中存在这样的规律，真空室的真空度越高，使用的高 频电压越高清洗效果越好，产生的废物气体越易被排除也有利于防止清洗对象被 二次污染。 ( 7 ) 精密零件清洗 在经过机械加工的零件表面主要残留物为油类污染，采用0 2 等离子体去除会 特别有效。 自从2 0 0 3 年开始，国内中科院微电子研究所也开展大气压冷等离子体技术的 研究工作，在短短的二年时间内，先后成功研制出各种喷口直径和形状的常压射 频，冷等离子体喷枪设备，用该所研制的常压冷等离子体设备，在1 0 1 6r a m ( 4 英 寸) 硅片上清洗光刻胶的速率可以达到每分钟几个微米1 1 2 1 。 同时，也有实验表明【1 3 】，经过等离子体对光学薄膜的清洗，在一定程度上可 以提高光学薄膜的激光损伤阈值，这为等离子体对光学薄膜性能的改性提供了一 个新方向。 1 3 本文研究方法和各章节的安排 本文的第二章中，首先对强激光作用光学材料损伤的原因进行了简要总结， 5 电子科技大学硕士学位论文 指出光学元件的表面洁净状况对激光损伤阈值有重要影响。因此，对光学元件的 表面进行洁净处理有十分重要的意义。然后对激光清洗的机理进行了概括和总结， 重点是对强激光作用下光学基片的温度场进行了讨论。第三章对等离子体清洗的 机理进行了概括和总结；在第四章中，由于光学材料的热吸收对于讨论光学元件 和光学薄膜的损伤和清洗机理有重要作用，因此该章对透射式光热透镜技术的原 理和应用进行了讨论；第五章对3 5 1 r i m 激光对石英基片和k 9 玻璃的清洗进行了研 究，并且对这两种基片的清洗特点进行了讨论，然后对清洗的机理进行了探讨。 在第六章中，用c 0 2 连续激光和真空等离子体对石英基片上的真空油脂进行清洗 研究，并且清洗机理进行了讨论。第七章对全文的结论进行了总结。 6 第二章光学基片表面激光清洗的一般理论 第二章光学基体表面激光清洗的一般理论 对光学材料进行清洗的目的是为了提高激光损伤阈值，因此，在讨论清洗的 机理之前，有必要对光学材料破坏的机理做简单的回顾。 2 1 光学材料破坏的一般理论 光学材料破坏研究领域包含着强光和物质相互作用的丰富的物理内容，它涉 及到物理的、化学的、机械的、光学的以及材料的高功率光学本身的一些技术问 题。影响激光损伤阈值的因素可以从两个方面来考虑，一个是激光本身的参数， 另一个方面是和光学材料有关的参数，还有一个方面就是强激光和光学材料的相 互作用，具体来讲，可以概括为以下几个方面【1 4 1 5 】： 2 1 1 激光参数的影响 ( 1 ) 激光脉冲宽度对破坏的影响 不同脉冲宽度的破坏物理过程不完全一样，因此各种机理的破坏阈值也不一 样。一般可以把脉冲宽度对破坏阈值的影响分为两类：一种是长脉冲造成的破坏， 也称大能量破坏，此时破坏阈值的能量密度较高，而功率密度较低；另一种是短脉 冲造成的破坏，也称大功率破坏，此时能量密度较低，而功率密度则较高。 ( 2 ) 激光束的方向性。 实验证明，随着激光方向性的改善，破坏阈值将下降。方向性的改善必然导 致波型数的减少和峰值功率的提高，这可能是破坏阈值降低的原因之一。另一方 面，由于方向性愈好，激光束在材料中的自约束效应也愈强，局部功率密度可以 大大增强，而使从激光束总功率密度定义的破坏阈值下降。除了这些脉冲结构参 数对破坏阈值有影响之外，还有如光束横向均匀性，光束直径，聚焦或不聚焦， 激光波长等因素都对破坏阈值有影响。 ( 3 ) 激光功率 一般情况下，随着激光功率的增加，功率密度也增加，损伤阈值呈下降趋势。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2 光学元件材料参数的影响 ( 1 ) 表面状况的影响 光学元件的破坏包括表面破坏和体破坏，一般情况表面破坏阂值更低，其原 因有以下几个方面： ( a ) 表面更容易受到灰尘、油类及有机物的污染，形成吸热中心； ( b ) 表面加工不完全光滑，形成条纹和凹坑，使其表面受的分子间力减小， 容易造成破坏； ( c ) 表面原子和分子所受的引力比其内部基质小，易挥发，升华造成破坏； ( d ) 对于镀膜的光学元件，由于镀膜前光学元件加工状况，污染情况，镀膜 方式不同形成的附着情况，镀膜均匀性等也可降低破坏闺值。 ( 2 ) 结构缺陷的影响 结构性缺陷对光学材料损伤阈值的影响的一个重要原因是是由于表面凹槽、 年划痕、裂纹或空隙的影响。这些缺陷的尺寸一般小于一个波长，在这些缺陷附 近，小范围的电场结构可用静电学进行计算【16 1 。在这些缺陷边缘处应力集中，因 此在这些位置首先引起破坏。 ( 3 ) 杂质缺陷的影响 光学材料中可能包含各种杂质缺陷，即金属，半导体，陶瓷，金属磨料颗粒 和表面吸收材料，所有这些杂质缺陷都有相当大的吸收系数。杂质缺陷( 金属和非 金属颗粒) 吸收激光能量后，温度骤然升高到数千度以上，使杂质颗粒熔化或气化， 在杂质周围光学材料中产生很大的局部张应力，当应力超过光学材料的抗张强度 时，即在光学材料中产生裂纹破坏。有杂质缺陷的基质材料的破坏过程包括熔化， 热弹性应力( 热弹性应力可通过机械化学反应使材料发生破坏) ，热化反应，光离 化反应和等离子体的形成。缺陷的参数和基质的物理化学性质同破坏过程有很大 关系。 破坏阈值与缺陷参数( 吸收系数，它的温度关系，缺陷的线性尺寸) 的关系 说明激光诱导破坏具有统计特性，并且受相互作用区域内缺陷的空间分布概率和 其它缺陷进入该区域的概率控制。对这些效应作定性分析表明激光诱导破坏阈值 h 与相互作用区域( 照射强度为i d ) 的线性尺寸有关，在这个区域内对于给定的激光 光束尺寸，破坏概率与强度都具有随机性。 8 第二章光学基片表面激光清洗的一般理论 2 1 3 激光和光学材料相互作用所造成的影响 ( 1 ) 超声破坏 当强激光和光学元件相互作用时，研究材料破坏的一个角度是研究激光作用 所引起的超声。短脉冲激光激发超声的机理是多种多样的，可以以光学击穿来激 发；可以通过激光加热材料烧蚀激发；也可以以非破坏辐照的途经来激发。总结起 来，产生超声波的机理主要有： ( a ) 光热弹性效应所导致的声波而引起的非破坏激发机理； ( b ) 利用半导体晶体材料的浓度变形机理可以获得更短的声脉冲； ( c ) 透明材料内亦可激发超声波，最有效的机理是电致伸缩。 对透明光学材料而言，激光激发超声以上述机理c 的形式出现。上海光机所 的於海武等【1 5 】研究了激布里渊射过程和光学材料破坏之间的潜在联系，指出受激 布里渊散射所导致的破坏阈值为透明光学材料破坏的本征值。 普通的布里渊散射，可以单纯看成是入射光波场被介质内自发弹性声波场的 散射作用所形成的；而受激布里渊散射则应看成是强入射激光场被由入射光场感应 产生的强声波场散射作用的结果。我们知道，在一般的温度下，当不存在外界入 射光波场或入射光较弱的情况下，介质内的自发声振动总是十分弱的，但在强激 光场的作用下，由于电致伸缩效应开始起作用，从而可使介质内的某些状态的声 频振动得到极大的增强，这种增强了的声波场反过来也增加了对入射光的散射作 用。当入射光足够强，以致于介质内由入射光场电致伸缩效应感应产生的声波和 相应的散射光的增益大于它们各自的损耗之后，将出现介质内部感应声波场与布 里渊散射光波的受激放大或振荡效应，这就是受激布里渊散射效应的经典物理图 像。 另外，量子理论研究的结果表明，高频声子的衰减所造成的高频声子的强烈 衰减形成的局部加热也是破坏的可能因素，其衰减长度通常在几微米到几十微米 之间。这种热过程要比光学材料直接吸收激光能量形成的热过程要显著得多，因 为好的光学材料对光的吸收是很微弱的。 ( 2 ) 雪崩电离击穿引起的破坏 雪崩电离的过程可以理解为自由电子吸收激光能量，并以很大的能量( 吸收 激光的能量) 碰撞其他原子( 离子) 而电离，放出更多的电子，这样循环往复，瞬 间形成了电子雪崩过程。这些高能电子将一部分能量交给光学材料基质( 通过碰 9 电子科技大学硕士学位论文 撞) ，使之温度升高至数千度以上，在光学材料中造成很大的热应力，当此应力超 过光学材料的机械强度时，即造成光学材料的破坏。 一般说来，当电子数增长到某一临界值后( 通常在1 0 1 7 1 0 1 8 c m - 3 ) ，光学材料 将强烈吸收光能量，引起介质的电子雪崩击穿，即使介质没有被击穿，也已明显 影响激光在材料内的传输。从而使光束的分布不均匀，从而导致激光损伤阈值的 下降。 ( 3 )自聚焦破坏 自聚焦效应通常从两个方面来描述： ( a ) 非线性透镜效应：是由于强光作用引起的非线性效应，介质折射率不再 是一个常数，而是依赖于光强： 以= n o + n 2 如果光场的横向分布不是均匀的，如高斯分布，则光束中心处的光场最强， 它引起的有效折射率要比边缘处的大，因此在强光作用下，介质将表现为正透镜 效应，此即自聚焦现象。破坏结果表现为丝状或多根细丝状破坏，细丝直径和数 目与光脉冲模式有关，如果是基模光，则只有一根丝状破坏斑迹。如果是高阶模， 则会出现多根细丝状破坏斑迹。 ( b ) 小尺寸自聚焦： 由于各种扰动因素的存在，比如光学元件中的结构缺陷、杂质、部分光学元 件的结构设计、位相和振幅的扰动等等都容易使得上述整个光束自聚焦进一步演 变成束分裂，也有可能在上述整个光束自聚焦形成之前就已经出现光束分裂，因 此形成许多细丝状光束，由于这些丝状光束都非常细，所以称之为小尺寸自聚焦。 无论是非线性透镜还是小尺寸自聚焦( 实验上后者更常见) ，虽然都会影响光束 质量，但是它们本身并不造成光学材料的直接破坏，只是由于光脉冲能量的高度 集中，它会以碰撞电离击穿等形式造成光学材料的破坏，这就是实验中常常遇到 的细丝状破坏斑迹。对于激光聚变研究来说，最后的靶丸是非常小的，通常为1 0 0 um 左右，所以自聚焦效应引起的光束质量变差，必然使最后聚焦打靶时光脉冲 能量得不到有效的利用以及光束均匀性不满足要求。 ( 4 ) 金属表面强烈吸收光能量产生膨胀的激光等离子体产生弹性冲击波。声 脉宽主要由激光等离子体的冷却时间决定。 综上所述，引起光学材料激光损伤阈值下降的原因是多方面的，其中材料的 表面状况是一个十分重要的因素，因此，洁净的光学表面对于提高损伤阈值具有 1 0 第二章光学基片表面激光清洗的一般理论 非常重要的作用。 2 2 微粒和基片表面的各种吸附作用 研究激光的清洗作用，首先要考虑各种微粒和基片表面的各种吸附作用u 7 1 。 研究表明，污染物和它所附着的物体表面之间的结合力主要有：共价键、双偶 qqq ( a ) 范得华力( b ) 毛细力( c ) 静电力 图2 1 - 微粒在固体表面吸附时的三种基本作用力 极子、毛细作用、氢键、范德瓦尔斯力和静电力，其中范德瓦尔斯力、毛细作用、 静电力最难破坏。激光清洗其实就是利用激光的高功率特性，破坏掉污染物和物 体之间的这些作用力，而不损坏基片本身。 如图2 1 所示，微粒( 1 0 4 1 0 。7 ) 固体表面的吸附力主要有以下三种： ( a ) 范德华力( v a nd e rw 猢8f o r c e ) 即使是中性的粒子与固体表面，当它们之间的距离很小时，它们分子和原子 的电子云会因为振动而极化，由此产生粒子与固体表面间的短程吸附作用。它的 大小可由下式表述： e ：乓 ( 2 1 ) 1 6 x z h 为与材料有关的常数，d 是微粒的直径尺寸，z 是微粒与基体之间的距离。 ( b ) 毛细力( c a p i l l a r ya d h e s i o nf o r c e ) 来自于很薄的液体层( 如大气湿度) ，在粒子和机体表面之间微小空隙处产生凝 聚，如图2 1 ( b ) 所示，其大小为： fo=2ayd(2-2) 丫是液体的单位面积表面能，d 是微粒的直径尺寸。这种力对亲水性表面或 长期暴露在潮湿空气中的基片显得尤为重要。 ( c ) 静电力( e l e c t r o s t a t i cf o r c e ) 电子科技大学硕士学位论文 带电粒子与固体表面之间的作用力分为象力( i m a g ef o r c e ) 和库仑力，前者通 常在1 0 0 u m , - - 3 0 0 u m 时才显得重要，后者可以用下式描述： 尼胃u 2 d e = i 上 ( 2 3 ) 二，l 式中，u 为接触电势差，s 自由空间介电常数，h 为粒子和表面的有效距离， d 口是微粒的直径尺寸，静电力表现为吸附力。 值得注意的是，这些吸附力比重力大几个数量级，且都和粒子的直径d 有关， 随着半径的减小，这些里逐渐衰减由于m o c d 3 ，a o c d - 2 ，由牛顿运动定理f - - m a 可知，粒子的尺寸越小，清除所需要的加速度就越大。所以，用常规技术是很难 清除的。 2 3 激光清洗的分类 依据基底材料的特性、基底表面的精度、表面粗糙度及微粒污染物的种类，目 前激光去除微粒所采用的方法如下【1 8 】： ( 1 ) 激光干式清洗法 一般使用于非透光性材料。其方法是用短脉冲激光直接照射基片，使基底或 微粒吸收光能后会突然膨胀，尽管膨胀量很小，一般为1 0 0c m ，但由于光作用于 表面的时间极短，一般为lo - 1 3s 1 0 1 1s ，结果使表面运动时可产生极大的加速 度( 可达到1 0 6 州s 2 1 0 8m s 2 ) ，所产生的冲击运动力足以将微粒弹出表面，达 到净化表面的目的。 ( 2 ) 激光湿式清洗法 一般适用于弱吸收材料。其方法是在表面涂一层均匀的液体膜或固体介质膜。 微粒周围的介质吸收激光能量后，介质产生爆炸性汽化，把介质周围的微粒推离 材料表面。此种方法所用液膜一般为水膜，或为少量的甲醇或乙醇与水的混合液 体。 当激光能量仅仅为液膜所吸收时，清洗的效果并不好。只有在能量被基体所 吸收的情况下，清洗效果才达到最高。 ( 3 ) 激光复式清洗法 激光能量被基底材料吸收，然后通过热对流，把吸附的中间介质加热，中间 介质产生爆炸性汽化，在高气流的推动下，微粒随同中间介质一起脱开基底表面， 这种方法被称作“激光复式清洗法 。 1 2 第二章光学基片表面激光清洗的一般理论 ( 4 ) 激光+ 惰性气体的方法 激光辐射的同时，用惰性气体吹向工件表面，当污物从表面剥离后，就被气 体远远吹离表面，避免清洁表面再次污染和氧化。 ( 5 ) 用激光使污物松散后再用非腐蚀性的化学方法 利用短脉冲激光照射时引起的微振动，使污染物变得疏松，从而脱离。该方 法仅见于艺术品的清洗保护中。 ( 6 ) 连续激光清洗 通常情况下所指的激光清洗指的是短脉冲激光清洗，实际上还应该专门对连 续激光的清洗进行讨论，二者的清洗机理不完全相同。 2 4 激光清洗的物理机制 脉冲的方式不同，清洗的机理也不同，对于短脉冲激光，其清洗的方式主要 是干式清洗和湿式清洗。 2 4 1 短脉冲激光对微粒的清洗机理 以脉冲式的n d ：y a g 激光清洗的过程为例，其过程依赖于激光器所产生的光 脉冲的特性，是基于由高强度的光束、短脉冲激光及污染层之间的相互作用所导 致的光物理反应。清洗的方法不同，其物理机理也不同： ( 1 ) 干式清洗的机理 ( a ) 基底振动嘞粒子振动 图2 - 2 干式清洗的原理 即采用脉冲激光直接辐射去污。图2 2 表示了激光干式清洗法的动力学过程， 激光被基体或粒子吸收后，产生振动，从而使基体和污染物分离，具体来讲分两种 情况： 1 3 电子科技大学硕士学位论文 ( a ) 基底吸收激光能量而振动 如图2 2 ( a ) 所示，激光的能量被基底吸收，尽管膨胀量很小，一般为1 0 c l l l ，但 由于光作用于表面的时间极短，结果使表面运动时可产生极大的加速度( 可达到 1 0 6 m s 2 - 1 0 8 m s 2 ) ，所产生的冲击运动力足以将微粒摔离表面，达到净化表面的目 的。这种方法对激光弱吸收的基底且对激光能强吸收的特殊微粒也是有效的。如 采用脉宽为2 0 n m ，能量为6 5 0 m j c m 2 的n d ：y a g 激光可以纳米级污粒子，其清洗效 果可以达到9 5 。但是在同样条件下对环氧树脂的清洗效果不到5 。【1 9 】 下面通过一个简单的估算来说明这一物理机制。 考虑自由固体表面，单位面积入射的激光能量为只脉宽为l 那么表面的温度s 升劫啦似为： a t ：( 1 - r ) f ( 2 - 4 ) p c p 式中尺是反射率，p 是基体密度，c 是比热，z 是激光在持续时间百内基体中的热 扩散长度。 由上述温舶丁导致的基体线膨胀( 沿垂直基体表面方向) 日为： h a a a t ：( 1 - r ) f a ( 2 - 5 ) p c 式中a 是热膨胀系数。假设是强吸收且取能量密度f = i j c m 2 ，a = l x l 0 。k - 1 ， p = 3 9 c m 3 ，c - - - 0 4 j k g ，那么月大约为1 0 缶c m ，取v = 1 0 n s ，则 口h r 2 1 0 1 0 c m s 2( 2 6 ) 可见，激光清洗产生的加速度越为重力加速度的1 0 6 倍。正是由于这么大的加 速度，足以使得吸附粒子能够离开基体表面。这就是短脉冲激光干式清洗的基本 原理。 方程( 2 5 ) 给出了计算热膨胀高度的估算表达式，可以看出，影响热膨胀的 高度的因素有三个参数，又由于对于一些基片而言热扩散情况的变化并不大( 如 k 9 的热扩散率p l = o 5 1 3 m m 2 s ，石英的热扩散率为i _ t 2 = 0 4 4 1 1 1 】一s ，) 因此，热膨胀 的高度与热膨胀系数a 和温度场彳哺关。其中温度场的分布较复杂，既和激光参数 有关，又和材料的参数有关。对于温度场的分布可以见后面的分析。 该原理不仅可以解释激光对一些亚微米级微粒的清洗机理，而且也可以解释 短脉冲激光对油脂的清洗机理【2 0 ，2 1 1 。这也是本文q h 3 5 1 n m 激光对k 9 玻璃和熔石英 1 4 第二章光学基片表面激光清洗的一般理论 进行清洗的机理之一。 ( b ) 污染物吸收激光能量而振动 如图2 2 ( b ) 所示，激光的能量被污染物所强吸收，从而产生极大的加速度而 使污染物被清除。这种方法适用与基底对激光弱吸收，而污染物对激光有强吸收， 因此对污染物和激光波长都具有一定的选择性。这个理论是由k e l l e y 提出的，他 对微粒吸收能量产生的最大加速度估算出了一个与式( 5 ) 式相似的公式【1 9 1 。 ( 2 ) 激光湿式清洗的原理 激光湿式清洗是在粘附有微粒的光学基片表面再涂敷一层厚度极薄的液膜或 介质膜，通过介质膜的汽化作用向周围产生冲击爆炸力，这种作用力一般都超 ( a ) 激光完全被基体所吸收( b ) 激光完全被液体所吸收 1 入射激光；2 液体膜；3 污染粒子；4 爆炸性挥发；5 基体 图2 - 3 湿式清洗的原理 过微粒与基体之间的粘附力，从而导致微粒和介质膜一起被清除。基本原理见图 2 3 ，根据清洗是吸收物质的不同，清洗机理也不同。 ( a ) 激光完全被基体所吸收 如图2 3 ( a ) 所示，在脉冲激光清洗之前，在被清洗基底表面上沉积一层很薄 的工作介质膜( 厚度为几个微米) ，由于脉冲激光能被基底材料吸收，从而在液 体与基底交界面上会积聚大量的有待散发的能量，这些能量足以使覆盖于基底交 界面的液膜产生爆炸性蒸发，这也可能是本文中3 5 1 r i m