基于飞秒激光的石英表面 缺陷修复技术研究

基于飞秒激光的石英表面缺陷修复技术研究④原始完好熔石英表面。实验结果如下图3-10：图3-10分别是4类不同测试点的损伤阈值测试结果从上图中我们可以看到，27µJ飞秒激光修复点的激光损伤阈值为42J/cm2，比未经修复的损伤点的损伤阈值增长了12J/cm2，即损伤阈值增长了40%。由于实验条件有限实际能达到的能量通量只能到86J/cm2，在这个能量通量下原始完好的熔石英还是没有损伤，所以只能得出其损伤阈值大于86J/cm2的结论。我们对损伤修复点和非损伤修复点进行损伤阈值测试的前后形貌用光学显微镜观测记录。表3-2分别列出了损伤修复点测试前、损伤修复点测试后以及未损伤修复点测试后的整体、中心和边缘的形貌图。损伤修复点测试前损伤修复点测试后未损伤修复点测试后整体中心边缘从这些图中可以看到修复之后的损伤点增大变大的不明显，基本以小的损伤点分散的分布，同时由测试出的损伤阈值可知，损伤修复点和未损伤修复点的损伤阈值相同。由此我们可以得出，飞秒激光已经对熔石英损伤点完成了完整的修复，损伤阈值的大小取决飞秒激光修复技术工艺的优化程度，原损伤点没有影响效果。所以后期的研究工作主要是在寻求最优的飞秒激光的脉冲参数、修复点的修复形貌以及后期的处理，使修复点的损伤阈值竟可以的大。4总结与展望4.1总结在高功率激光系统中，损伤问题一直存在，成为限制激光系统能量提升的主要瓶颈。国内外已经有大量实验与理论研究工作，虽然在对光学系统中各种元件损伤点的修复工作取得显著的成效，很大程度上提高了光学系统的使用寿命、提升系统运行稳定性以及降低运行成本，但是目前各种修复工艺都还有很大的提升空间，不同的光学元件损伤点存在某种最佳的修复方式。本文主要讨论基于飞秒激光的熔石英表面缺陷的修复技术。通关整个这次研究我们可以初步得出以下几个结论：当激光脉冲能量通量超过熔石英的表面损伤阈值时，会在表面打出损伤点。但是，初始损伤点尺寸较小，在几十个微米左右。但是这些初始损伤点在激光辐照下会变得不稳定，损伤点尺寸不断变大，扩大到几百个微米，严重影响熔石英的整体性能，同时这些损伤点还有会近场调制作用，使损伤元件后续200mm范围内的光强得到加强，使后续元件更加容易损伤，使整个系统都受到严重影响。在对损伤修复点进行大范围的飞秒激光修复时，在27µJ的激光脉冲条件下，通过实验，分析在激光脉冲的扫描速度为20mm/s、10mm/s、6mm/s、3mm/s，对应的步长分别为20µm、10µm、6µm、3µm的不同情况下的修复效果，发现步长太大，会使修复不完整；步长太小，修复坑周围损伤严重。实验发现在步长6µm时修复效果最佳。通过对损伤点、损伤修复点以及原熔石英完好点的损伤阈值测试实验，结果表明，修复点的损伤阈值比损伤点的损伤阈值高了12J/cm2，损伤阈值增长了40%，可以证实飞秒激光修复熔石英技术的可行性。但修复点的损伤阈值还远低于原熔石英完好点的损伤阈值，所以其技术还有很大需要改进的需要。通过实验我们发现未损伤修复点和损伤修复点的损伤阈值几乎相同，可以证实损伤点已被完全修复，其修复点的阈值只取决于修复技术本身的优化。4.2展望从实验结果中我们已经发现损伤修复点的损伤阈值还是远低于原完好熔石英的损伤阈值，虽然飞秒激光的熔石英缺陷修复技术工艺还需优化。在超短脉冲激光修复过程中，对修复效果会产生影响的激光参数包括单脉冲能量、激光偏振态、脉冲宽度、脉冲频率以及脉冲的叠加程度或者说是扫描速度。本次实验只研究了扫描速度的影响，后续工作可以对单脉冲能量、脉冲宽度等影响因素进行研究，需求最优的修复脉冲参数。同时修复形貌也对修复效果产生很大的影响，本次实验圆柱形的修复坑可能就不是最优的修复形貌，后续工作可以对圆锥形、矩形等修复形貌进行研究，使其达到最优的结果。参考文献[1]吴宜灿，王红艳，柯严，汪卫华，陈红丽，刘松林，黄群英.磁约束聚变堆积及ITER实验包层模块设计研究进展.原子核物理评论，2006,23（2）：89～95[2]赵周，邓柏权，冯开明，陈志，袁涛，李增强.惯性约束核聚变的燃耗与增益.科学技术与工程，2005,5（017）：1291～1292[3]N.Basov,O.Krokhin.Theconditionsofplasmaheatingbytheopticalgeneratorradiation.1964.[4]王淦昌.利用大能量大功率的光激射器产生中子的建议.中国激光，1987,14（11）[5]HuntJS.Nationalignitionfacilityperformancereview1999[R].LawrenceLivermoreNationalLaboratory(LLNL),Livermore,CA,2000.[6]HrubeshLW,NortonMA,MolanderWA,etal.MethodsformitigatingsurfacedamagegrowthinNIFfinaloptics[C]//BoulderDamage.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics,2002:23-33.[7]MatthewsMJ,BassIL,GussGM,etal.DownstreamintensificationeffectsassociatedwithCO2lasermitigationoffusedsilica[C]//BoulderDamageSymposiumXXXIX:AnnualSymposiumonOpticalMaterialsforHighPowerLasers.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics,2007:67200A-67200A-9.[8]BassIL,GussGM,NostrandMJ,etal.Animprovedmethodofmitigatinglaser-inducedsurfacedamagegrowthinfusedsilicausingarasteredpulsedCO2laser[C]//LaserDamageSymposiumXLII:AnnualSymposiumonOpticalMaterialsforHighPowerLasers.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics,2010:784220-784220-12.[9]方周,赵元安,陈顺利,等.熔石英表面紫外损伤点的飞秒激光修复技术[J].中国激光,2013(4):66-73.[10]熊智敏.超短脉冲激光修复技术研究.上海光学精密机械研究所.2012[11]WolfeJE,QiuSR,StolzCJ.Fabricationofmitigationpitsforimprovinglaserdamageresistanceindielectricmirrorsbyfemtosecondlasermachining[J].Appliedoptics,2011,50(9):C457-C462.[12]M.Lenzner,J.Kruger,W.Kautek,andF.Krausz,“Precisionlaserablationofdielectricsinthe10fsregime,”Appl.Phys.A68,369–371(1999).[13]S.R.Qiu,J.E.Wolfe,A.M.Monterrosa,M.D.Feit,T.V.Pistor,andC.J.Stolz,“Modelingoflightintensificationbyconicalpitswithinmultilayerhighreflectorcoatings,”Proc.SPIE7504,75040M(2009).[14]S.R.Qiu,J.E.Wolfe,A.M.Monterrosa,M.D.Feit,T.V.Pistor,andC.J.Stolz,“Searchingforoptimalmitigationgeometriesforlaser-resistantmultilayerhighreflectorcoatings,”Appl.Opt.50,C373–C381(2011).[15]ShirkMD,MolianPA.Areviewofultrashortpulsedlaserablationofmaterials[J].JournalofLaserApplications,1998,10(1):18-28.[16]FangZ,ZhaoY,ChenS,etal.Methodofmitigationlaser-damagegrowthonfusedsilicasurface[J].Appliedoptics,2013,52(29):7186-7193.[17]DeMariaAJ,StetserDA,HeynauH.SELFMODE‐LOCKINGOFLASERSWITHSATURABLEABSORBERS[J].AppliedPhysicsLetters,1966,8(7):174-176.[18]KuizengaDJ,SiegmanAE.FMandAMmodelockingofthehomogeneouslaser-PartI:Theory[J].QuantumElectronics,IEEEJournalof,1970,6(11):694-708.[19]雷仕湛，刘德安，张艳丽.《激光发展史概论》，第一版.国防工业出版社，2013，2(5):205～212[20]陈飞.大功率Nd:YAG激光振镜扫描系统的研究.华中科技大学,2011.[21]KimDI,RheeHG,SongJB,etal.High-speedandprecisionauto-focusingsystemfordirectlaserlithography[C]//SPIEOpticalEngineering+Applications.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics,2009:742610-742610-6.[22]CohenDK,GeeWH,LudekeM,etal.Automaticfocuscontrol:theastigmaticlensapproach[J].Appliedoptics,1984,23(4):565-570.[23]SheppardCJR,ShottonDM.Confocallaserscanningmicroscopy[M].BIOSScientificPublishers,1997.[24]EzumiM,TodokoroH.Scanningelectronmicroscope:U.S.Patent5,872,358[P].1999-2-16.[25]SeilerH.Secondaryelectronemissioninthescanningelectronmicroscope[J].JournalofAppliedPhysics,1983,54(11):R1-R18.[26]A.K.Burnham,L.Hackel,P.Wegner,T.Parham,L.Hrubesh,B.Penetrante,P.Whitman,S.Demos,J.Menapace,M.Runkel.Improving351-nmdamageperformanceoflarge-aperturefusedsilicaandDKDPoptics.2002.[27]ChenBY,KegelmeyerLM,LiebmanJA,etal.Detectionoflaseropticdefectsusinggradientdirectionmatching[C]//LasersandApplicationsinScienceandEngineering.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics,2006:61011L-61011L