基于局域假想温度调控的熔石英激光损伤修复技术

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熔石英材料由于其优异的化学稳定性和良好的光学性能，在大型高功率激光系统中广泛用于制备透镜、光栅、窗口和屏蔽片等光学元件。然而在高通量紫外激光作用下，熔石英光学元件的表面容易产生损伤，而且损伤尺寸会随着激光发次的增加而快速扩展，严重影响了光学元件的稳定性和使用寿命。目前光学元件表面的激光诱导损伤仍然是限制高功率激光装置通量的瓶颈，抑制光学元件表面损伤及其增长以保证激光通量水平和延长元件使用寿命是大型高功率激光装置长期稳定运行需要解决的关键问题之一。

目前国内外报导的熔石英光学元件损伤修复方法最具有实用化前景的是CO₂激光修复技术。CO₂激光高温熔融修复熔石英表面损伤点可以有效提高损伤阈值，但是修复后存在严重的残余应力，有导致元件开裂的风险，有文章报导认为目前使用的CO₂激光修复缺陷的方法还不能工程化应用于大口径光学元件的处理。为了避免修复损伤时热致应力的产生，提出采用飞秒激光修复熔石英损伤点，飞秒激光技术是有效的无热加工技术，由于飞秒激光脉冲与物质作用时间极短，晶格几乎不加热，避免了热应力的产生，但是飞秒激光作用是非常剧烈的过程，导致硬脆性的熔石英形成微裂纹和易激光损伤材料，研究发现飞秒激光处理并不能有效提高损伤点的激光损伤阈值。因此，飞秒激光在加工硬脆性熔石英材料存在固有的缺陷，缺乏近期工程化应用的前景。由于现有的CO₂激光处理方法引入了严重的热残余应力，最有应用前景的CO₂激光损伤修复技术不能大规模进行工程化应用。实现CO₂激光损伤修复的工程化应用，必须探索采用新的物理机制和处理方法，消除修复引入的残余应力，这是大口径熔石英元件损伤修复一直追求的目标。

1  激光退火抑制熔融修复热残余应力

CO₂激光熔融修复损伤点后温度骤降，高温熔融状态的熔石英结构被冻结，导致局域结构处于较高的假想温度状态。假想温度是表征玻璃结构的常用参数，定义为：处于高温熔融亚平衡态结构的玻璃在快速降温的条件下其相应的的亚平衡态结构被冻结，称相应的高温温度为冷却后玻璃结构的假想温度。修复损伤点时损伤材料熔融流动去除裂纹，然而作用结束后温度急剧降低，熔融修复区冻结在较高的假想温度， 利用红外反射光谱和拉曼光谱研究发现修复后局域假想温度状态升高导致密度增加了0.24%，形成塑性变形区，产生严重的残余应力，再损伤后极易导致应力开裂，威胁元件安全；我们系统地研究了熔石英高温结构弛豫规律，提出采用激光退火技术控制修复降温过程，促使熔石英结构进行充分地弛豫，最终实现了局域假想温度的调控，使得局域密度的增加值控制在了0.08%，极大抑制了局域应力， 再损伤后不再出现应力开裂现象，如图1所示。

CO₂激光熔融修复所需设备简单，方法简便易行，适合修复尺寸250 μm以下的损伤点，修复后抗损伤阈值极大升高，比完好表面还要高，进行的工程试用验证了CO₂激光熔融修复的效果。但是，修复较大损伤点时，由于假想温度变化范围过大，尽管采用激光退火，仍然存在一定程度的局域结构致密化，仍然存在极大的应力开裂风险，CO₂激光熔融修复不适用于较大尺寸损伤点的修复。

2  微秒CO₂激光脉冲瞬间剥离熔石英损伤修复

熔石英结构弛豫时间常数与温度的关系是温度越高弛豫时间越短，假如我们以稳态温度方程估计，使用直径140 μm的光斑加热熔石英表面到3 000 K气化点，表面深度约18 μm处温度为2 370 K，此温度下材料结构弛豫时间常数为5 μs，如果加热只持续5 μs，那么表面以下只有18 μm的深度弛豫到新的状态，极大抑制了结构变化的材料，也就是小光斑瞬间加热可以抑制大范围材料发生结构弛豫。针对现有的熔石英光学元件损伤CO₂激光熔融修复技术引入较大热残余应力的不足，我们系统研究了微秒脉冲CO₂激光热穿透深度对熔石英假想温度变化的影响规律，在综合平衡损伤材料快速蒸发去除速度和热穿透速度的条件下，开发了一种近无热残余应力熔石英激光损伤修复方法，通过对常规CO₂激光器脉冲进行裁剪获得矩形波激光脉冲，采用单激光脉冲瞬间气化剥离部分损伤材料，脉冲间隔充分冷却避免大范围材料熔融，多脉冲叠加去除全部的损伤材料，有效控制了熔石英基底发生高温结构弛豫，获得了无热残余应力的熔石英损伤修复效果，实现了对熔石英光学元件损伤修复过程中产生的残余应力的有效控制，并且修复形貌可控，通过设计修复坑的形貌可有效地抑制修复点的光调制增强效应，见图2。

3  局域假想温度调控制备微透镜阵列

在熔石英CO₂激光修复的系统研究中，我们掌握了控制局域假想温度分布的规律。进一步的研究发现熔石英假想温度升高引起Si—O—Si键角减小，导致Si—O—Si键极性增强，使得熔石英更容易被HF酸刻蚀。基于以上研究成果，我们开发了一种简洁方便的利用熔石英玻璃局域假想温度调控制备微凹透镜阵列的方法，通过利用CO₂激光对熔石英进行瞬间加热调控其材料微结构，形成熔石英材料假想温度变化区域；并通过逐点激光辐照在熔石英表面形成微结构调控区阵列；再利用不同假想温度熔石英材料氢氟酸刻蚀速度的差异，通过氢氟酸刻蚀使熔石英微结构调控区的轮廓呈现出来，形成凹面熔石英微透镜阵列；微透镜阵列参数通过激光脉冲参数和辐照点路径进行精确控制，实现了圆形孔径和异形孔径微透镜阵列的制备，开发的微透镜阵列制备过程简洁高效，并且工艺稳定性好、可控性强、重复性高，如图3所示。