CO2激光抑制熔石英损伤增长研究

论文摘要

光学元件负载能力,一直是高功率激光系统中激光输出的一个瓶颈。在大型激光系统中,熔石英元件因其在各个波段都具有良好的透过率,常被置于倍频晶体后,受紫外激光的辐照。在高通量的紫外激光辐照下,熔石英元件表面易出现损伤,如果未及时处理该紫外损伤,损伤点会在后续激光辐照下迅速增长,最终使熔石英元件损伤至不可用的地步。美国NIF装置中,当光学元件的损伤导致挡光面积达到3%时,元件达到使用寿命。因此及时修复元件上的损伤点可达到抑制损伤增长,延长元件使用寿命的目的,大大降低运行成本。修复熔石英损伤点的方法有很多,但以CO2激光修复效果最好。在工程上,一般需要修复的熔石英的紫外损伤点尺径在20μm700μm之间,更小的损伤点不易被在线观测到,更大的损伤点则会使熔石英元件报废。本论文主要研究对80μm400μm尺径损伤点的CO2激光修复,通过对不同修复方式的研究,得出的结论如下:1.对于80μm400μm的损伤点,利用激光光斑直径约为100μm的CO2激光打标记进行环向扫描修复时,我们发现修复后修复点深度为60μm200μm,部分损伤没有完全修复,且容易产生气泡,表面均有烧蚀碎片出现,修复不完全和气泡问题可以通过调节激光参数进行改善,但烧蚀碎片严重降低了修复坑的激光损伤阈值。2.直径为4 mm的激光光斑对于损伤点的直接辐照,能够修复80μm400μm的损伤点,且修复后,几乎不会出现气泡,且通过对激光参数的调节,能够避免烧蚀现象。对修复点的损伤阈值和损伤寿命测试发现,修复点都能达到或超过基底的损伤阈值和损伤寿命。3.对于工程上需要修复最多的200μm的损伤点,我们用不同光斑直径的激光对其修复后发现:具有修复能力的激光无论是辐照于空白样品上还是损伤点上,熔融坑都会出现两个不同的区域,我们分别将其定义为变形区和影响区。变形区是通过明显的熔石英材料的汽化形成的,其尺寸大小可能与其修复能力有关。影响区则是通过明显的熔化和少许的汽化形成的,能表征激光的作用范围。变形区会随着激光功率的增加和辐照时间的增加而扩张,而影响区仅与激光光斑尺径相关。激光辐照后所产生的残余应力最大差值出现在影响区边缘。对变形区和影响区进行扫描测试后发现,变形区抗损伤能力大于影响区的抗损伤能力,但两个区域的抗损伤能力都比基底的强。修复点的影响区边缘较容易在损伤测试中损坏。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 2激光修复熔石英元件研究进展'>1.2 C0₂激光修复熔石英元件研究进展
• 2激光修复熔石英元件机理'>1.2.1 C0₂激光修复熔石英元件机理
• 1.2.1.1 熔石英损伤增长机制
• 2激光修复熔石英损伤物理过程'>1.2.1.2 C0₂激光修复熔石英损伤物理过程
• 2激光修复熔石英损伤的实验装置'>1.2.2 C0₂激光修复熔石英损伤的实验装置
• 2激光修复熔石英损伤点实验进展'>1.2.3 C0₂激光修复熔石英损伤点实验进展
• 1.2.3.1 10 μm 以下团簇损伤点的修复
• 1.2.3.2 10-50 μm损伤点团簇的修复
• 1.2.3.3 100 μm到500 μm以下损伤点的修复
• 2激光修复熔石英理论进展'>1.2.4 C0₂激光修复熔石英理论进展
• 1.3 论文研究内容
• 第二章 熔石英材料特性及激光与材料的相互作用
• 2.1 熔石英特性
• 2.1.1 熔石英的结构特性
• 2.1.2 熔石英的物理化学特性
• 2.2 激光与材料的相互作用
• 2.2.1 激光辐照的吸收
• 2.2.2 热效应
• 2.2.2.1 加热
• 2.2.2.2 熔化
• 2.2.2.3 汽化
• 2激光加热熔石英的温度模型'>2.3 C0₂激光加热熔石英的温度模型
• 2.4 小结
• 2激光修复熔石英损伤点方法的探讨'>第三章 C0₂激光修复熔石英损伤点方法的探讨
• 3.1 标刻机振镜扫描修复
• 3.1.1 实验方法
• 3.1.2 结果与讨论
• 3.2 大光斑修复
• 3.2.1 实验方法
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.3 本章小结
• 2激光修复熔石英规律的研究'>第四章 C0₂激光修复熔石英规律的研究
• 4.1 实验方法
• 4.2 结果与讨论
• 2激光辐照区域的定义'>4.2.1 C0₂激光辐照区域的定义
• 4.2.2 变形区和激光参数的关系
• 4.2.3 修复点和参数测试点之间的联系
• 4.2.4 残余应力与激光影响区的联系
• 2激光辐照过程中的残余应力形成模型'>4.2.4.1 C0₂激光辐照过程中的残余应力形成模型
• 4.2.4.2 残余应力与双折射效应
• 4.2.5 变形区、影响区及基底的抗损伤能力测试
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果