PDF《退火对熔石英表面损伤修复点损伤增长的影响》

200 ?m 的损伤点 [6?9] . 最终 将不规则分布且含有大量杂质和裂纹的损伤点熔 融成一个光滑的高斯分布的坑洞 [10] . 由于修复结 束后材料在空气自然冷却, 温度的骤降过程最终会 在修复点周围形成一定大小的应力 [11,12] . 研究表 明修复点的抗激光损伤阈值可以达到甚至超过基 底的损伤阈值 [13] , 从而有效地抑制初始损伤点的 损伤增长, 延长了元件的使用寿命. 然而, 由于激光能量波动、 修复参数等因素的 影响, 修复过程很可能导致损伤修复的不完整 [10] , 会在修复点上形成气泡 [14,15] 、 修复导致材料气化 ? 国家自然科学基金青年科学基金 (批准号: 61505170, 61505171)、 国家自然科学基金委员会 -中国工程物理研究院联合基金 (批准 号: U1530109) 和西南科技大学自然科学基金 (批准号: 13zx7120) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: [email protected] ?

2016 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 044209-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

4 (2016)

044209 而最终在修复点周围形成烧蚀沉淀物 [16,17] 以及搬 运和清洗过程中附上的痕量离子 [18] 和有机物 [19] , 这些因素可诱导修复点再次损伤以及在后续激光 辐照下的损伤增长. 因修复点周围存在应力, 会加 剧损伤点上的裂纹在激光辐照后的扩展速度, 导致 更严重的损伤事件. 为抑制应力可能导致的裂纹 扩展, 目前采用高温退火方式可以有效控制或消除 修复点周围的应力 [11] . 美国劳伦斯利弗莫尔国家 实验室 Raman 曾利用高温退火来消除基底元件损 伤后形成的应力, 结果表明消除初始损伤点上形成 的应力, 可以在一定程度上减小初始损伤点的损伤 增长速率 [20] , 但他们并未针对修复点的损伤增长 进行相应研究. 目前仅见国内刘红捷等 [21] 和Xu 等[22] 对此问题的研究, 但是都未对退火后修复点 的损伤增长性能进行相关研究. 本文正是基于此问题, 综合研究经不同退火参 数处理的修复点损伤增长的行为, 同时与基底和未 退火修复点的损伤增长形貌及行为进行全面对比, 探讨和分析退火对修复点损伤增长的具体影响. 研 究结果可以进一步分析应力对修复点损伤增长的 影响, 指导对退火参数的优化.

2 实验过程 样品为 Corning

7980 远紫外熔石英光学玻璃, 尺寸为60 mm *

40 mm *

5 mm. 首先采用一定浓 度的氢氟酸 (HF) 溶液对样品进行刻蚀处理, 充分 消除样品表面的抛光重沉积层及暴露样品亚表面 缺陷. 为保证测试数据的可对比性, 所有样品均来 自于同一批样品, 并进行 R-on-1 损伤阈值测试, 确 保所有样品基底的损伤阈值基本一致. 采用波长为355 nm, 脉宽为6.3 ns的Nd:YAG 激光器在样品上制造至少20 个损伤点, Spiri- con 光斑分析仪测得辐照至样品后表面的光斑 面积为 0.23 mm2 (1/ e2 ). 损伤点的尺寸范围为 200―300 ?m. 为保证修复后应力不互相影响, 损 伤点相邻间隔为

4 mm. 采用波长 10.6 ?m、 峰值功 率为100 W、 出口光斑尺寸为3.8 mm ± 0.3 mm、 光 束发散角为

3 mrad、 光斑为空间高斯分布的 CO2 激光器 (GEM-100 L) 对损伤点进行非蒸发式修复. 修复过程中 CO2 激光通过焦距为

10 cm 的ZnSe 透 镜进行聚焦, 并采用刀口法确保辐照在样品上的激 光光斑直径为

3 mm. 损伤修复的具体参数及详细 过程可见参考文献 [6]. 实验中采用上海意丰电炉有限公司生产的箱 式退火炉来控制修复点周围的残余应力, 其温控精 度为 ±1.5 ? C. 退火包括升温、 保温和降温三个过 程. 退火过程中以