强激光系统熔石英基底的处理技术研究

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熔石英材料的激光损伤已经成为限制高功率激光器的输出功率、制约惯性约束核聚变系统发展的重要瓶颈。激光损伤会降低光学元件的使用寿命,降低系统的运行效率,增加运行成本。提高光学元件熔石英基底的抗激光损伤能力已成为当前最迫切的需求之一。熔石英激光损伤的诱导因素主要分为两类:光学加工过程中造成的机械损伤(亚表面损伤)以及表层的以氧化铈抛光粉为代表的金属元素污染。本课题主要研究HF酸腐蚀和复合加工方法对熔石英激光损伤阈值的提高。本文的主要工作如下:1.针对HF酸腐蚀中的反应产物沉积问题,对HF酸腐蚀工艺进行了系统的优化。通过选用HF溶液而非含有NH4F的缓冲液作为腐蚀液、腐蚀过程中引入兆声波辅助以及腐蚀后充分漂洗等方面的优化,有效地抑制了反应产物沉积。采用优化后的HF工艺腐蚀后,样品表面金属元素含量显著下降,亚表面缺陷被有效钝化,腐蚀去除20μm后,损伤阈值从初始的5.7 J/cm2升高至13.1 J/cm2。2.提出了复合加工方法,该方法的工艺流程为:研磨样品--300μmHF腐蚀--超光滑抛光--干法刻蚀--HF清洗。研磨样品经300μm的HF腐蚀后,亚表面缺陷被彻底去除,演变成粗糙表面。同时由于亚表面缺陷的横向扩展,缺陷间彼此相互交连,使得腐蚀后表面PV值远小于初始的亚表面损伤层深度(约为~10μm),降低了后续抛光所需的去除量。超光滑抛光将HF腐蚀后的粗糙表面抛平,同时引入相对较浅的亚表面损伤层。随后干法刻蚀将超光滑抛光引入的亚表面损伤层去除,然后百纳米的HF腐蚀将干法刻蚀引入的金属污染等去除,最终获得既无亚表面损伤又无金属污染的光滑表面。损伤阂值测试显示,复合加工方法显著地提高了损伤阈值。损伤阈值从初始的20.0 J/cm2最高提升至42.0 J/cm2,处理后的样品表面粗糙度维持在1~2nm。3. ICP刻蚀的刻蚀诱导表面损伤问题。首先系统地研究了刻蚀坑状损伤的形貌特征,分析了刻蚀损伤在物理和化学刻蚀下的演化规律,分析了其形成机理。在刻蚀损伤的抑制方面,对ICP刻蚀工艺进行了系统的优化,首先通过使用隔离罩装置,消除了金属污染,大幅地提高了刻蚀后的表面质量;随后优化刻蚀气体配比和ICP功率,消除了低密度表面坑状损伤。最后使用优化的ICP刻蚀工艺成功地去除了亚表面损伤层。
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