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亚表面缺陷诱导损伤的机理及实验技术研究 摘要 随着大型固体激光系统能量密度逐渐提高，光学元件抗损伤能力低已经成为阻碍增 大输出能量的重要原因，而亚表面缺陷是诱导激光损伤的重要原因之一。针对该项研究， 主要有三方面的问题需要解决。首先，亚表面缺陷的样貌、诱导损伤的机理及相关参数， 是更加深入的问题，必须进行定量的研究。其次，从生产工艺上说，如果能够找到新的 工艺减少亚表面缺陷，势必提高光学元件的抗损伤能力。最后，从最终目标，即提高元 件激光损伤阈值来说，采用新工艺是否能够去除亚表面层的裂纹与杂质等缺陷以提高光 学元件的损伤阈值，使这些工艺能够广泛应用于神光i i i 大口径光学元件的生产，必须 得到确实的验证，故必须测试具体的损伤样貌。 在硕士研究生期间，基于以上三个问题，我们就熔石英亚表面缺陷诱导损伤的机理 从理论和实验验证上进行了探讨，课题期间进行的工作及主要获得的成果包括： 一、在国际针对亚表面缺陷已经获得的成果基础上，开展了理论模拟技术研究。参 考了l l n l 采用时域有限差分( f d t d ) 法对杂质的计算流程，设计了熔石英内划痕与 再沉积层杂质的缺陷模型，使用f d t d 计算方法讨论了缺陷对激光电磁场的调制作 用，从理论上研究缺陷参数对诱导损伤的作用。计算结果表明，二倍波长尺寸的划 痕、一倍波长的杂质对损伤贡献最大，而杂质的作用明显强于划痕。 二、开展了亚表面缺陷形态探测技术的研究。使用显微镜与轮廓仪等仪器检测亚表 面划痕型缺陷的样貌，包括表现形式、稠密分布，结果表明，划痕主要可分为连续 型与间断型两种，它们的稠密分布相差较大。另外重点基于理论计算的结果，探讨 抛光产生的缺陷的主要参数，以表明这些缺陷是否对诱导损伤有贡献。结果表明， 这些划痕由于尺寸远大于波长或太浅，对损伤过程无明显作用。 三、实验讨论了酸蚀法是否能够减少抛光产生的亚表面缺陷，从浅度刻蚀与极深度 刻蚀的方面给出了显微镜检测结果，实验表明，细小划痕易被浅度酸蚀去除，长度 较大、较深的划痕即使刻蚀极深也难以去除，但有钝化效应。另外验证了酸蚀不会 对光学元件表面面形造成明显影响，证明该工艺的可行性。 四、开展了磁流体加工工艺的研究，证实了该工艺对提高元件表面精度、减少亚表 面层裂纹型缺陷的积极作用，也指出了它引入大量再沉积层杂质的缺点。故在参考 了l l n l 采用混合工艺可提高元件损伤阈值的实验成果后，我们研究了酸蚀与磁流 体加工结合的方法对减少杂质以提高激光闽值的可行性，针对熔石英基片在星光i i 激光器上进行了损伤实验，肯定了该混合工艺对提高元件激光闽值的积极作用。 关键词：亚表面缺陷，熔石英，划痕，再沉积层，杂质，损伤闽值，时域有限差分 电磁场，酸蚀，轮廓仪，a f m ，m r f ，混合工艺 i i i 亚表面缺陷诱导损伤的机理及实验技术研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a n k i n ds o c i e t y , w e r ef a c i n gt h ec r i s i so fe n e r g y f o r t u n a t e l y , t h en u c l e a rt e c h n i q u ea n dh i g h p o w e rl a s e rs y s t e mp r o v i d eu sl a s e rn u c l e a rf u s i o n n o w a d a y sm o r ea n dm o r ec o u n t r i e s r e s e a r c ho ni n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ( i c f ) a d d i t i o n a l l y , m a n yh i g h p o w e rs o l i dl a s e rs y s t e m sa r eb e i n gb u i l t ，s u c ha sn a t i o n a li g n i t i o n f a c i l i t yf n i f ) b u tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g hp o w e rl a s e rs y s t e m ，t h el o wd a m a g e r e s i s t a n c ec a p a b i l i t yo fo p t i c a lc o m p o n e n t sh a sb e e no n es e r i o u sp r o b l e m ，w h i c hr e s t r a i n st h e i n c r e m e n to fl a s e re n e r g yo u t p u t t h i sh a sb e e no n e h o t - s p o t i np a s t3 0y e a r s s u b s u r f a c ed a m a g e ( s s d ) h a sb e e nb e c o m i n go n ec o n c e m f u ll a s e ri n d u c ed a m a g eo r i g i n t h e r e r em a i n l yt h r e eq u e s t i o n st od e a l 、撕t 1 1 f i r s t l y , t h em e c h a n i s mt oi n d u c ed a m a g e a n d t h ep a r a m e t e r su n d e r l y i n gw h i c hd a m a g ei s e a s y t oc o m ef o m l m u s tb e r e s e a r c h e d t h o r o u g h l y s e c o n d l y , i t sn e c e s s a r yt of i n do u to n ew a yt od e d u c es s d ，w h i c hi sp r o s p e c t i v e t oi n c r e a s et h el a s e ri n d u c ed a m a g et h r e s h o l d ( l i d t ) i na na d d i t i o n ，t h o s es s dc o u l db e d e t e c t e di nm i c r o s c o p e t h i r d l y , i t sm u s tb ev a l i d a t e dw h e t h e rs o m eh y b r i dm a n u f a c t u r i n g c o u l dr e m o v es s dc r o c k so rr e d e p o s i t i o nl a y e rd e f e c t st oi n c r e a s el i d t i fy e s ，t h e m a n u f a c t u r i n go f b i go p t i c a la p e r t u r ec o m p o n e n t sw i l la r i s eu pt oo n en e w e rs t a g e i nm y p o s t g r a d u a t ep e r i o d ，w e v ed i s s e c t e dt h em e c h a n i s mo fs u b s u r f a c ed a m a g e ( s s d ) i n d u c i n gd a m a g e ，a n dv e r i f i e ds e v e r a lp o p u l a rp o l i s h i n gm e t h o d s ，m a i n l yi n c l u d i n gh fa c i d w e te t c h ，m a g n e t r o h e o l o g i c a lf i n i s l l i n g ( m r f ) ，e t c t o t a lo u t c o m ea n de x p e r i e n c ec a nb e s u m m a r i z e da sb e l o w o n e t h eo r i g i n ，d e t e c ta n dr e m o v a lo fs u b s u r f a c ed a m a g ea r ei n t r o d u c e d f u r t h e r m o r e ， w ei n t r o d u c e ds e v e r a li n t e m a t i o n a lp o p u l a rd a m a g em e c h a n i s m s t h e r e so n et y p i c a l l a s e ri n d u c e dd a m a g et h r e s h o l d ( l i d t ) d e t e c tf a c i l i t ya n ds e v e r a lm i c r o s c o p e s s o m e i m p o r t a n tm a n u f a c t u r i n gc o m ef o r t h ，i n c l u d i n gh fe t c ha n dl a s e rc o n d i t i o n i n g b a s e do n t h ed e v e l o p m e n ts e q u e n c eo fl l n lt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no no p t i c a lc o a t i n g si nf i n i t e d i f f e r e n c et i m ed o m a i n ( f d t d ) ，w es i m u l a t e dt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n r o u n ds s d ，诚t 1 1t h ee s t a b l i s h m e n to fs c r a t c h e sa n dd e f e c t sm o d e l si nf u s e ds i l i c a ( f s ) t h ec o n s e q u e n c ee x h i b i t st h a t 2 九- s i z es c r a t c h e so rl - d i a m e t e rd e f e c t sc a u s et h em o s t s e r i o u sm o d u l a t i o n a d d i t i o n a l l y , d e f e c t sd om o r et h a ns c r a t c h e s t w o w ed i s c u s s e dt h ep a r a m e t e r sa n de x h i b i t i o n so fs s d i nm i c r o s c o p ea n ds t y l u s p r o f i l o m e t e r , s c r a t c h e sa r ec o n t i g u o u so rd i s c o n t i n u o u s f u r t h e r m o r e ，t h es s dd e n s i t y v a r i e sv e r ym u c h b a s e do nt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，s c r a t c h e si nt h o s ep a r a m e t e r s w o n tc o n t r i b u t et ol a s e rd a m a g ei n d u c e m e n t ，f o rl o n g e rs c r a t c h e sa r em u c hw i d e rt h a n 亚表面缺陷诱导损伤的机理及实验技术研究 t h ek e ys i z e2 k ，a n ds h o r t e ro n e sa r et o os h a l l o w t h r e e w ea l s ov e r i f i e dt h er e m o v a la v a i l a b i l i wo fs s di nf u s e ds i l i c ab yh fa c i dw e te t c h w ee x p e r i m e n t e db ys h a l l o we t c ha n de x t r e m ed e e pe t c h t h i sr e s u l t e di nt h a ts m a l l s i z e s c r a t c h e sc o u l db ee l i m i n a t e db ye n o u g he t c h i n gd e p t h ，b u tl a r g e ro n e sr e m a i n e dt h e r e o t h e r w i s e ，l o n g e ro rw i d e ro n e sc o u l db ed e s h a r p e n e db yd e e pe t c h f o u r m a g n e t r o h e o l o g i c a lf i n i s h i n g ( m r f ) h a sb e e ni n t r o d u c e d ，w h i c ha f f o r d sh i g h f l a t p r e c i s i o na n dl i t t l es s d b yt h ew a y ，m r fc a u s e sl o wl i d to fo p t i c a lc o m p o n e n t s b yr e a s o no ff e 2 + f e 3 + t h ef e a s i b i l i t yo fw e te t c hp l u sm r ft oe l i m i n a t es u b s u r f a c e c r a c k sa n dr e d e p o s i t i o nd e f e c t sh a sb e e np r o v e n ，w h i c hc a nc a u s el i d ti n c r e m e n t ，a f t e r t h er e f e r e n c et ol l n lh y b r i dt e c h n i q u e s w i t ho n el a s e rt h r e s h o l d e x p e r i m e n ti n “x i n g g u a n gi i ”h i g h p o w e rl a s e rs y s t e m ，w ea f f i r m e dt h eb r i g h tp r o s p e c to ft h i s t e c h n i q u e k e yw o r d s ：s u b s u r f a c ed a m a g e ，f u s e ds i l i c a ，s c r a t c h ，r e d e p o s i t i o nl a y e r , d e f e c t s ，l i d t , f d t d ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，w e te t c h , s t y l u sp r o f i l o m e t e r , a f m ，m r f , h y b r i d m a n u f a c t u r i n g v 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，也不包含为获得中国工程物理研究院或其他 教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文仨者签名：立寥曳、 签字日期：加f 年箩为，弘日 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使 用学位论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授 权中国工程物理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文作者签名： 。立覆 签字日期：伽箩年角牮f ；| 导师签名：以矫 签字日期：灭d f 年j 月，争日 亚表面缺陷诱导损伤的机理与实验技术研究 1 1 论文课题背景 第一章绪论 随着人类社会经济的高速发展，能源问题正变得越来越突出。煤、石油与天然气作 为不可再生资源，有逐渐枯竭的趋势。核技术作为低原料、高产出的能量供给方式，正 被广泛运用，然而，它存在核泄漏及难以处理废料的问题。于是，受控核聚变技术逐渐 得到世界的重视。强激光技术作为具有高精度、高能量特点的新兴技术，可采用用于核 燃料加热以实现高温高压核聚变反应。我国科学家王淦昌于1 9 6 4 年提出了用强激光实 现惯性约束聚变( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ，i c f ) 的思想，美国l l n l 实验室( l a w r e n c e l i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y ，l l n l ) 提出使用内爆原理加热核燃料至高温、高密度状 态以实现聚变的理论，奠定了i c f 理论的基础。世界上主要的i c f 系统如表( 1 1 ) ： 表1 1 世界主要固体激光系统统计 国家 实验室 装置名 束数能量( k j )波长( b u n ) n o v a1 01 2 5 ，8 0 1 5 5 1 0 6 0 5 3 o 3 5 l l n l n i f ( 在建) 1 9 2 1 8 0 0o3 5 美 激光能学实验室 o m e g a 2 43 21 0 6 0 3 5 国 海军实验室 p h a r o s21 31 0 6 o 3 s k m s 公司 c h r o m a211 0 6 o 3 5 俄罗斯列别捷夫所 d e l 矗n1 0 81 01 0 6 日本激光工程所 g e k k ox i i1 22 0 1 5 21 0 6 0 5 3 0 - 3 5 法 p h e b u s22 0 1 00 5 3 0 3 5 国 利梅伊一瓦伦顿中心 l m j ( 在建) 2 4 02 0 0 00 3 5 英国卢瑟福一阿普尔顿 l u l l i6 1 210 5 3 意大利弗拉斯卡蒂a b c 1o 11 0 6 0 5 3 中 上海光机所 神光i i86 21 0 6 0 3 5 国 当前世界上最为先进的激光核聚变装置是美国l l n l 实验室正在建造的国家点火装 置( n a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y , n i f ) 拉j ，指标最苛刻、工程3 h q - 要求最高，且造价高昂。 n i f 共有1 9 2 路光束，总输出功率达到5 x1 0 “w ，该指标领先于世界。 世界上其他各国亦正加紧大型固体激光器的建造。1 9 9 3 年，法国原子能委员会批准 了l m j 工程。英国开展了1 0 0 t w 级固体激光系统的研制工作，俄罗斯也开始发展此项 技术。日本近年来在i c f 领域取得了不小的成就，制定了g e k k o x i i 装置的升级计划， 亚表面缺陷诱导损伤的机理与实验技术研究 且拟建造“金刚”大型激光器。 图1 1 n i f 装置示意图 如图( 1 1 ) 为n i f 的总体规划图示，工作激光波长为3 5 5 n m ，打靶精度达5 0 1 tm 。 n i f 是相当庞大的激光工程，主光路分为六个部分：主激光系统、光束控制系统、激光 注入系统、光脉冲发生系统、光开关区域以及终端光束会聚系统，它对光学元件的要求 无论是质量上还是数量上都是前所未有的。总体需要约7 5 0 0 件4 2 e m 4 2 c m 以上尺寸 的大口径光学元件，加上备份元件和小口径元件总计共需约3 0 0 0 0 件，这给光学生产造 成了巨大的压力。大1 3 径元件的类型、数量、尺寸统计如表( 1 2 ) 。 2 表1 2n i f 大口径光学元件统计 光学元件名材料 光学尺寸( m m ) 数量 放大片( a m p l i f i e rs l a b s ) 钕玻璃( n dl a s e rg l a s s ) 8 0 0 4 5 6 4 13 0 7 2 透镜( l e n s e s ) 熔石英( f u s e ds i l i c a , f s ) 4 3 4 4 3 4 4 69 6 2 可变形镜( d e f o r m a b l em i r r o r s ) b k 74 5 0 x 4 3 4 10 3 07 9 2 腔镜( c a v i t ym i r r o r s ) b k 74 1 2 4 1 2 8 07 9 2 肘形镜( e l b o wm i r r o r s ) b k 74 1 7 7 4 0 8 07 9 2 传输镜( t r a n s p o r tm i r r o r s ) b k 7 4 4 0 , - - 6 9 0 ，厚度8 0 8 1 6 偏振片( p o l a r i z e r s l b k 74 1 7 8 0 7 9 07 9 2 晶体( c r y s t a l s ) k d p ，k d p 4 1 0 4 1 0 1 0 95 7 6 防溅射片( d e b r i ss h i e l d s )熔石英f z s l 4 4 0 4 2 0 1 01 9 2 开关窗口透镜( s w i t c hw m d o w )熔石英( f s ) 4 3 0 4 3 0 3 03 8 4 真空窗e l ( v a c u u mw i n d o w s ) 熔石英( f s ) 4 4 0 4 4 0 4 3 1 9 2 衍射光学元件( d i f f r a c f i v eo p t i c sp l a t e ) 熔石英( e s l 4 4 0 4 2 0 1 01 9 2 总计： 7 1 5 2 亚表面缺陷诱导损伤的机理与实验技术研究 在实际工作中发现，这些光学元件还容易受到强激光场的作用而导致损伤，不论是 熔石英、b k 7 玻璃或晶体，还是为实现高反射或减反射的膜层，都容易被较强的激光损 伤而无法使用。这是因为n i f 工作的激光波段是紫外波段3 。( 3 5 5 n m ) ，在这个波段下， 激光单光子具有三倍于1 0 6 4 n m 激光的能量，更加容易被材料中的吸收性杂质、缺陷等 吸收，强烈的局部热效应导致温度急剧升高而导致严重的损伤。而在实际元件加工中， 无论是透镜、光栅、放大器，还是晶体、膜层，都引入了大量杂质或缺陷。现今光学元 件抗激光损伤能力低下已经成为抑制激光器提高能量密度的重要阻碍，所以研究缺陷诱 导损伤的机理，如何采用新的元件加工工艺以提高工作阈值是非常迫切的任务【3 j 。各国 都投入了大量的人力物力进行这方面的研究，这也是一个研究了3 0 年的热点问题，不 同国家分别在理论或工程方法上取得了不同程度的成果。 l l n l 是世界上损伤机理及工艺改进研究的领先者，他们发现，亚表面缺陷 ( s u b s u r f a c ed a m a g e ，s s d ) 是诱导元件损伤最重要的原因之一，从理论上提出了数种温度 升高诱导损伤的模型，并且提出了一系列改进工艺，探讨了它们各自的效果。基于强激 光技术在此方面的进展与当前固体激光系统的迫切要求，我们也针对亚表面缺陷诱导损 伤的机理和控制技术开展了较深入的研究工作。 1 2 国内外研究现状 国际学术领域已经公认，亚表面缺陷是诱导损伤最重要的原因之一，为了提高激光 器的输出能力，必须细化损伤机理及工艺问题。总体来说，为了提高激光损伤阈值，需 要解决的问题包括：( 1 ) 理论上高强度、短脉宽( f s n s ) 激光场对材料体和表面的作 用机制，这主要关系亚表面缺陷诱导损伤的机理；( 2 ) 工程加工( 如抛光) 对材料表面 的物理、化学作用，这是亚表面缺陷产生的原因；( 3 ) 为提高抗损伤能力进行的工艺改 进研究。 关于亚表面缺陷诱导损伤的机理及工艺改进，l l n l 已经取得的成果主要包括： 1 注意到主要的内损伤来源于自聚焦( s e l ff o c u s i n g ，高局部强度和长光程) 口】与亚表 面缺陷，包括划痕( s c r a t c h ) 与杂质( i n c l u s i o n ) 1 4 1 ，导致损伤的缺陷主要尺寸在1 0 0 n m um 量级，特别是大量的吸收性杂质( c o n 伽m n a n t s ) 易诱导灾难性损伤【5 j ； 2 总结出避免长光程自聚焦的设计方法：采用低非线性折射率1 1 2 的材料和设计系统光 程最小( 特别针对紫外波段，u v ) ； 3 提出了数种流行的损伤解释机制，包括小尺度自聚焦效应、电子崩电离模型与多光 子电离模型【3 j 及超声波效应，最流行的是热效应模型，其他微观模型是温度升高产 生热效应的解释机制； 4 主要就膜层中的颗粒模型，设计计算流程并编写了若干基于数值计算方法的计算机 模拟程序，较成功地模拟了损伤产生的过程 o q 。典型的数值方法是时域有限差分 亚表面缺陷诱导损伤的机理与实验技术研究 ( f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n ，f d t d ) 法 7 1 ； 5 使用基于磷酸盐的玻璃解决铂颗粒诱导损伤的问题：严格控制熔融条件可以使铂溶 解成离子态： 6 提出了从根本上减少亚表面缺陷的有效方法：磁流体加工工艺( m a g n e t r o h e o l o g i c a l f i n i s h i n g ，盱) 8 】 9 1 与湿法酸蚀法1 0 】 1 1 1 等。提出了多种提高激光闽值的有效处理工 艺，如预处理( c o n d i t i o n i n g ) 【l “，并提出使用多种方法结合，可显著提高光学元件 抗损伤能力，如结合i - i f 酸蚀与预处理 1 3 】【1 4 】。 l l n l 近年来在亚表面缺陷诱导损伤的理论研究及改进生产工艺研究上取得了大量 成果，光学元件的抗激光损伤能力亦逐渐提高，关于损伤的数种解释机制及酸蚀法、预 处理等工艺，在第二章理论部分有详细介绍。l l n l 在固体激光技术方面的成就，可以 作为我们进行该方面研究的重要参考。 1 3 该课题工作的意义 中国正建造神光i i i 大型固体激光工程，工作波长与n i f 一样，也是三倍频( 3 5 5 n m ) 。 该波长下的强激光对大口径光学元件造成了严峻的考验，实验发现，采用传统抛光流程 生产的光学元件易被损伤，所以探讨元件损伤的机理并提出新的加工工艺是解决该问题 的必需路径。 国际上已经公认了损伤诱导机理方面的成果，即亚表面缺陷是造成光学元件低抗损 伤能力的重要原因之一。深入研究亚表面缺陷造成损伤的过程，探讨亚表面缺陷的可消 除性，是国内尚无人进行的课题。另外，讨论h f 酸湿法刻蚀与磁流体加工0 v i r f ) 在多 大程度上能减少亚表面缺陷、提高损伤阀值，亦是一个崭新的领域。 深入探讨亚表面缺陷诱导损伤的机理及提高激光阈值的工艺改进，可使光学元件的 抗激光损伤能力大大加强，对于提高我国高精度光学元件的负载能力，以及保障大型激 光工程的研制有着重要的意义。 1 4 课题期间相关工作 亚表面缺陷的存在，是诱导激光损伤的重要原因，然而它们在光学仪器下是什么样 貌，到底如何诱导损伤，在什么参数条件下最容易导致损伤，是更加深入的问题，必须 进行定量的研究。从生产要求上说，如果能够找到新的工艺减少亚表面缺陷，势必提高 光学元件的抗损伤能力，所以必须努力找寻方法并证明它们确实可以消除亚表面缺陷。 从最终目标，即提高元件激光损伤阈值来说，新的工艺是否能够去除亚表面层的裂纹与 杂质等缺陷以提高光学元件的损伤阈值，使这些工艺能够广泛应用于神光i i i 大口径光 学元件的生产，必须得到确实的验证，故必须测试具体的损伤样貌。基于以上三个目标， 4 亚表面缺陷诱导损伤的机理与实验技术研究 我们针对亚表面缺陷从理论和实验技术两个方面进行了深入探讨，主要进行的工作可介 绍如下： 1 总结了关于亚表面缺陷国际上已经存在的结果，包括缺陷的产生、样貌及检测，缺 陷诱导损伤的解释机制，总结了数种消除缺陷的新工艺，并注意了l l n l 关于采用 非传统抛光的生产工艺提高激光损伤阈值的成果。在理论研究上，参考了l l n l 采 用时域有限差分( f d t d ) 法对杂质的计算流程，针对重要的光学材料熔石英，设计了 划痕与再沉积层杂质的缺陷模型，使用f d t d 计算方法讨论了缺陷对激光电磁场的 调制作用，从理论上研究缺陷参数对诱导损伤的作用。计算结果表明，二倍波长尺 寸的划痕、一倍波长的杂质对损伤贡献最大，而杂质的作用明显强于划痕。 2 开展了亚表面缺陷形态探测技术的研究。使用显微镜与轮廓仪等仪器检测亚表面划 痕型缺陷的样貌，包括表现形式、稠密分布，结果表明，划痕主要可分为连续型与 间断型两种，它们的稠密分布相差较大。另外重点基于理论计算的结果，探讨抛光 产生的缺陷的主要参数，以表明这些缺陷是否对诱导损伤有贡献。结果表明，这些 划痕由于尺寸远大于波长或太浅，对损伤过程无明显作用。 3 实验讨论了酸蚀法是否能够减少抛光产生的亚表面缺陷，从浅度刻蚀与极深度刻蚀 的方面给出了显微镜检测结果，实验表明，细小划痕易被浅度酸蚀去除，长度较大、 较深的划痕即使刻蚀极深也难以去除，但有钝化效应。另外验证了酸蚀不会对光学 元件表面面形造成明显影响，证明该工艺的可行性。 4 开展了磁流体加工工艺的研究，证实了该工艺对提高元件表面精度、减少亚表面层 裂纹型缺陷的积极作用，也指出了它引入大量再沉积层杂质的缺点。故在参考了 l l n l 采用混合工艺可提高元件损伤阈值的实验成果后，我们研究了酸蚀与磁流体 加工结合的方法对减少杂质以提高激光闽值的可行性，针对熔石英基片在星光i i 激 光器上进行了损伤实验，肯定了该混合工艺对提高元件激光阈值的积极作用。 在整个课题研究期间，我们在亚表面缺陷的检测、诱导损伤的理论模拟、缺陷参数 实验验证、探讨消除缺陷的方法及采用新工艺提高元件激光闽值等方面取得了不少成 果，证明了该课题重要的研究意义。具体的介绍、计算及实验成果，在后面诸章有详细 介绍。 亚表面缺陷诱导损伤的机理与实验技术研究 第二章亚表面缺陷诱导损伤基础模型 2 1 激光损伤的定义 广义的激光损伤指由于激光的作用使元件性能或结构发生的可观察到的变化。分为 可逆和不可逆的两种：可逆损伤指元件功能发生的变化，通常是暂时、可以恢复的，用 光学或其他方法可以观测到；不可逆损伤指元件局部或整体的结构、物理性质发生不可 逆转、灾难性的破坏。通常所说的损伤往往是不可逆损伤。表( 2 1 ) 给出了光学元件损 伤的主要表现形式。 表2 1 损伤表现形式 表面( 薄膜) 损伤表现形式体损伤表现形式 表面形貌变化体软化 薄膜和表面相变体裂纹 表面颜色变化体结构变化 薄膜产生波纹颜色变化 薄膜脱落气泡 表面裂纹 细丝，条纹 表面熔化熔化 表面炸裂爆炸性炸裂 激光损伤阂值这个术语，定量恒定了光学材料的抗损伤性能，它指光学元件发生临 界损伤时入射激光的能量密度。一般来说，损伤阈值越高越好。由于实际的材料存在不 均匀性和激光束输出特性起伏，损伤发生有一定的概率。损伤阈值的定义有两种：使用 升降法测量，取不能造成破坏的最大能量密度和造成破坏的最小能量密度值的平均值， 称为5 0 损伤闽值；另一种是统计分析测试结果后，取对应于零损伤几率，即能够使光 学元件损伤的最小能量密度。 2 2 损伤机理 激光损伤时激光场和光学材料相互作用是非常复杂的问题，涉及到光热、光声、电 场作用，激光参数和材料性质，非线性效应和等离子体作用等过程。进行这方面的研究 相对困难，国内外对大量实验和理论结果分析后总结了几种激光损伤机制，它们在不同 场合有不同的作用 1 5 - 3 5 】。 2 2 1 热效应 即使材料没有任何缺陷，在强激光场中材料也会对激光有吸收，这称为本征吸收。 但是透明材料对激光的本征吸收很小，不足以造成破坏。在特定的场合，如激光强度在 6 亚表面缺陷诱导损伤的机理与实验技术研究 部分区域很大，也需要考虑本征吸收。设材料的吸收系数为a ，入射激光能量密度为j o ， 通过厚度为d 的距离后，光强将降为j = j o ( 1 r ) ( 1 e “4 ) ，其中r 是表面反射率。当a 较小 时，j j o ( 1 - r ) dd 。 热效应是光学材料最重要的破坏机制1 5 - 2 5 ，典型过程为：材料中的杂质吸收光子能 量产生电子崩电离( 此过程往往是多光子吸收，并且能带窄的金属、氧化物杂质吸收更 加容易，波长越短即能量越高的光子越容易被吸收) ，缺陷( 如裂缝) 调制光场使局部 区域具有高强度的电场，无论是材料还是杂质都容易电离，离子区形成后，大量的激光 能量会被吸收，局部区域急剧升高，产生的光声、光热效应对材料晶格产生冲击，可能 产生超声波，当温度升到足够高( 熔点或沸点) ，或者热应力超过材料的断裂强度时， 熔融或破裂就产生了。实验中往往会看到表面的熔融，甚至伴随材料喷射。根据动量定 律，喷出的材料对基体也是有反向冲击的，足够大的冲击波也可能导致进一步的破坏。 设光学材料的克分子热容为c ，材料密度为p ，克相对分子质量为m ，光斑面积为 a s ，则吸收激光引起的表面温升为 a t z j o ( 1 一r ) c t m p c ( 2 - 1 ) 材料的极限温度可能是材料的熔点，或热应力破坏温度。 如图( 2 1 ) 为融石英和白宝石损伤样貌口“，可以看出面损伤典型的热效应，体损伤中 热应力造成的炸裂。 蘩：烙甜燕和翻茗甜的攫悔嚣辘 ，i 络日簧# 挂惭芷蕊“1 蝽矗筵擐恬( 捌两 “髂刊薹丧霞蜷惭 i m 榴矗粪寰曝磺惦f “自i “镕韫枷m jlf ln 京石寰睡 喑 图2 1 熔石英和白宝石损伤样貌 以下介绍热力学损伤计算模型【3 “。假定在光学材料内有平均尺寸为q 和它们的平均 间隔为l 的局部吸收中心。若这个中心吸收系数口口，这里是材料的体吸收系数。 缺陷吸收光使缺陷加温到某个临界温度t c ，结果引起了材料的破坏。这个温度明显地依 赖于吸收功率值p 和热传输过程，从而可以确定t c 与光脉冲宽度有关。f ，= c p q 2 k 是吸 收中心内部热传导建立的平均本征时间，c 是比热，p 是密度，k 是形成吸收中心的缺陷的 热传导率( 下标0 代表基质材料) 。 亚表面缺陷诱导损伤的机理与实验技术研究 在长脉冲区域( f t ) 必须考虑吸收中心之间的热传输过程。在点缺陷近似的情况下， 可得到破坏阈值功率与脉冲宽度的关系： 驯毛 蔫+ 警( 表；】- 1 ( 2 _ 2 ) 在短脉冲区域( f 0 ( 2 1 4 ) 以上假定激光束垂直入射材料表面( x = o ) ，材料位于右半空间( x 0 ) ，表面对激 光的反射率是r ( y ，z ，t ) ，吸收系数为a ( x ，y ，z ；t ) ( 注意它与位置和温度有关系) ，x = 0 处激光束的功率密度为i o ( y ，z ；t ) ，温度场用t ( x ，y ，z ；t ) 表示。这是最基本的方程，具体 场合需要变形，特别是q 的形式。 应力是计算中要考虑到的重要因素。张应力和压应力：如果表面倾向于平行于它的 表面收缩，则出现张应力；压应力则是表面扩展时出现。在张应力情况下，形成凹的表 面，在压应力情况下，表面是凸的。机械应力由三个分量组成占= 疋+ 矗。+ 民，外应 力毛由外力作用引起，热应力民。，由温度变化引起。在最不利的情况下，总应力中的热 应力部分可能是十分显著的。五。是材料本身的内禀应力，它是一种结构的和微结构的灵 敏性质。民一般都难以涉及，但是在很高的激光强度下，内应力往往表现为化学键、金 属键之间的作用，比如常用的人造融石英在强光场作用下与其他分子、原子团反应，化 学键断裂，形成离子区。 2 2 2 自聚焦效应 在强激光作用下，材料的介电系数占( 或折射率n ) 与激光电场强度e 有关，有： 占= 岛+ j 1s 2 e 1 2 或者胛= + 去他 e 1 2 ( 2 _ 1 5 ) 其中岛和分别是材料的线性介电系数和线性折射率，屯和他分别是材料的二阶非 亚表面缺陷诱导损伤的机理与实验技术研究 线性介电系数和非线性折射系数，场矢量的平方正比于激光强度。这种非线性效应对于 高斯激光束尤其明显，因为介质折射率也有对应的分布，光束中心的相速度变小，而在 边缘部分较大，使等相位面成为凹面，光束逐渐聚成很细的光丝。强激光场中，光丝处 的场强很大，容易形成离子区。但是功率也必须超过某个临界值，才会产生明显的自聚 焦现象。平行入射的激光束临界自聚焦功率为： 易= 蔫 ( 2 _ 1 6 ) 可以推算出激光束在玻璃中发生自聚焦的阈值功率密度约为1 0 s w c m 2 ，这可以用中 等功率的激光器实现。自聚焦中心处的功率密度很高，光束焦点在向前运动时会出现丝 状破坏，单模的激光出现一条自聚焦丝，多模激光同时出现多条细丝。焦点向前运动时， 如果遇到杂质或缺陷，就会同时出现炸裂和丝状破坏。 引起介质非线性折射系数1 1 2 的机制及响应时间y 如表( 2 2 ) 所示，可以看出机制4 和 5 的响应时间y ( 分子数密度变化引起) 远远慢于机制1 3 ，机制5 仅对连续激光才有 明显作用。机制4 对应的n 2 较大，如调q 激光束在固体介质中会产生明显效应。机制1 3 ( 由平均极化率引起) 对应的n 2 较小，对应于脉宽为皮秒、纳秒级的激光，在液体和 气体介质中起主要作用，并且随着脉冲不断变短，起主要作用的机制将从1 变到3 。 表2 2 对非线性折射系数n 2 有贡献的几种物理机制 序号物理机制n 2 ( e s u 、 y s 1 一 分子定向克尔效应 1 0 “1 0 。1 2 1 0 。“1 0 。1 2 2 分子重新分布 1 0 。“1 0 。1 2 1 0 。1 3 3 非线性电子极化率 1 0 - t 31 0 。1 41 0 ” d 电致伸缩 1 0 “1 0 1 2 1 0 一k 1 0 4 5 热变化 1 0 1 0 41 0 1 另一种重要现象是大折射率杂质( i n c l u s i o n ) 造成的小尺度自聚焦效应。体损伤调 制光场使得光聚焦在材料内部某处，大功率的细丝会产生离子区，这也是不可忽视的重 要现象。杂质对光场的调制作用如下【3 8 j ： 实验与理论计算表明【3 9 1 ，大小太小或太大的杂质对损伤贡献不大。非常小( 尺寸 a ) 、折射率接近于周围材料的杂质可以用近轴近似( 如b o r n 近似、w k b ) 或近轴波传 播方法。尺寸至少几倍于波长的杂质往往用平面波近似处理，假设杂质为球形。需要解 平面波方程： v 2 e + 瑶叩( 尹) 2 e = 0