一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法
【专利摘要】本发明提供了一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，该方法通过截取激光器输出脉冲的峰值段，获得高峰值功率矩形激光脉冲；聚焦高峰值功率矩形激光脉冲，获得甚高峰值功率密度单激光脉冲；使用单激光脉冲瞬间气化剥离熔石英基底上的单点的损伤部位材料；控制单激光脉冲间隔，使基底充分冷却；利用单激光脉冲重复进行气化剥离，直至去除损伤部位全部材料。本发明方法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，提升了熔石英光学元件损伤点的抗损伤能力，抑制了熔石英光学元件表面损伤及其增长，延长了熔石英光学元件使用寿命，具有修复时间短、过程简洁高效、工艺稳定性好、可控性强、重复性高的优点。
【专利说明】
-种膝石英激光损伤的无热残余应力修复方法
技术领域
[0001] 本发明属于光学材料与光学元件技术领域，具体设及一种烙石英激光损伤的无热 残余应力修复方法。
【背景技术】
[0002] 烙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，烙 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W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。
[0003] 目前国内外报导的烙石英光学元件损伤修复方法最具有实用化前景的是C〇2激光 修复技术。2006年，赵松楠等人介绍了 C〇2激光烙融修复烙石英元件表面损伤(赵松楠等. 激光与光电子进展，43(3)，43-47 (2006))。2007年，黄进等人采用光斑扫描方式对元件进 行处理，改善了表面形貌，提高了损伤阔值(黄进等.中国激光，334(5)，723-727(2007)); 2009年，黄进等人利用C〇2激光对烙石英表面缺陷进行局部烙融修复，改善了深度200nm划 痕的损伤阔值(黄进等.中国激光，36(5)，1282-1286(2009))。2010年，戴威等人在综述中 介绍了一种采用振镜螺旋扫描，实现大尺寸损伤点烙融修复的方法，并指出残余应力和光 场调制严重影响了修复质量(戴威等.激光与红外，40,580-585 (2010))。2011年，罗成思 等人通过采用功率缓慢递增多次作用的振镜螺旋式扫描的方式实现了损伤烙融修复(罗成 思等.大众科技，12，103-105 (2011))。2012年，李熙斌等人采用C〇2激光与振镜系统结合， 获得了 500微米尺寸的大损伤点的修复，修复成功率达80%，但是修复后存在严重的残余应 力（李熙斌等.强激光与离子束，24，1757-1760 (2012))。2014年，蒋勇等人利用0)2激光光 栅式扫描消除了表面划痕、抛光点等缺陷，并分析了扫描过程中溫度分布规律(蒋勇等.物 理学报，63,068105 (2014))。2010年，刘红捷等人指出C〇2激光热致应力影响烙石英的损伤 阔值，热致应力会加剧激光诱发的损伤增长，并认为目前使用的C〇2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（刘红捷等.物理学报，59(2)，1308-1313 (2010))。2011年，向霞等人采用高溫炉退火技术对烙石英元件表面C〇2激光修复带来的残 余应力进行去除，但是退火时产生表面污染，需要在退火后进行氨氣酸溶液刻蚀才可W恢 复损伤阔值（向霞等.强激光与粒子束，23(9)，2396-2400(2011))。2013年，刘春明等人 指出C〇2激光损伤修复残余应力处阔值较低，并指出修复后发生再损伤存在进一步开裂的 现象，同时指出热处理炉退火消除残余应力时必须控制元件洁净度，否则会出现析晶现象 (刘春明等.物理学报，62, 094701 (2013))。2015年，张传超等人研究发现损伤修复后局 域密度升高造成结构的不均匀是产生残余应力的根本原因，并指出通过激光退火可W抑制 局域密度的变化(张传超等.中国物理B，24, 024220 (2015))。为了避免修复损伤时热致 应力的产生，2013年，方周等人采用飞秒激光修复烙石英损伤点，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，导致硬脆性的烙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后需要使用氨氣酸溶液刻蚀等后续处理(方周等.中国专利， 申请公布号CN103232167A;方周等.中国激光，40,0403001 (2013))，飞秒激光在加工硬 脆性烙石英材料存在固有的缺陷，难W工程化应用。
[0004] 因此，现有的烙石英损伤修复方法尚不具备简洁高效地修复损伤的能力，亟需一 种烙石英激光损伤的无热残余应力修复方法。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种烙石英激光损伤的无热残余应力修复方法。
[0006] 本发明的烙石英激光损伤的无热残余应力修复方法，其特点是，包括W下步骤： a.截取高峰值功率矩形激光脉冲； b.聚焦高峰值功率矩形激光脉冲，获得甚高峰值功率密度单激光脉冲； C.使用单激光脉冲瞬间气化剥离基底上的单点的损伤部位材料； d.控制单激光脉冲间隔，使基底充分冷却，重复步骤C，直至去除损伤部位全部材料。
[0007] 所述的步骤a的高峰值功率矩形激光脉冲是通过裁剪激光器输出脉冲的峰值段获 得的，高峰值功率矩形激光脉冲的脉宽调整范围为化S~30ys，上升沿小于等于1000ns，下降 沿小于等于1000ns。
[000引所述的激光器为射频激励C02激光器，波长为10.6μπι，光斑呈高斯分布。
[0009] 所述的步骤b、步骤C的单激光脉冲的峰值功率密度大于等于1 X 106W/cm2,单激光 脉冲的光斑直径尺寸范围为80μπι~140WI1。
[0010] 所述的步骤d的单激光脉冲间隔时间大于等于1ms，连续单激光脉冲的平均功率范 围为0.5 W~2W。
[0011] 所述的步骤d的单激光脉冲在基底上的运动轨迹形状为螺旋点阵、矩形点阵或圆 形点阵。
[0012] 本发明的烙石英激光损伤的无热残余应力修复方法具有如下优点： 1.本发明的烙石英激光损伤的无热残余应力修复方法有效控制了烙石英基底发生高 溫结构弛豫，抑制了激光修复产生的热残余应力，实现了无热残余应力的烙石英损伤修复。
[0013] 2.本发明的烙石英激光损伤的无热残余应力修复方法，在对损伤点修复的过程 中不对烙石英元件表面带来污染，不需要采取污染处理措施。
[0014] 3.本发明的烙石英激光损伤的无热残余应力修复方法，有效地提升了烙石英损 伤点的损伤阔值，抑制了元件表面损伤及其增长，延长了激光诱导损伤的烙石英光学元件 的使用寿命。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合实施例详细说明本发明。
[0016] W下实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的人员在 不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可W做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术 方案也属于本发明的范畴。
[0017]表1为实施例中的技术数据。
[001引实施例1 1. 最高连续输出功率100W的射频激励C02激光器，设置输出频率为1000化，占空比25%， 其输出脉冲波形具有百微秒的上升沿，之后才达到功率峰值。由于较低的功率不能有效地 气化剥离损伤材料，并会导致材料的加热，引入热残余应力，因此必须对射频激励C02激光 器输出脉冲进行裁剪，获取脉冲峰值段。利用声光调制器对激光脉冲波形进行裁剪，设置声 光调制器与C02激光器同步，占空比0.4%，通过声光调制器对光的偏折效应截取脉宽化S的 高峰值功率矩形激光脉冲，上升沿为80化S，下降沿为80化S; 2. 利用5倍的扩束镜对C02激光扩束，并使用焦距100mm的透镜对裁取的高峰值功率矩 形激光脉冲聚焦，获得直径约80WI1的光斑，聚焦后获得甚高峰值功率密度单激光脉冲，单激 光脉冲峰值功率密度为2.7 X 106W/cm2，被福照的基底上的单点的损伤部位材料瞬间升溫到 气化点W上气化剥离远离烙石英元件表面，显微观察表明单激光脉冲瞬间气化剥离损伤部 位材料后获取的元件表面光洁，没有烧蚀物沉积； 3. 设置单激光脉冲频率为1000化，即在lOOOys的一个单激光脉冲周期中，只有化S的甚 高峰值功率密度脉冲作用气化剥离基底上的单点的损伤部位材料，其余时间为无激光作用 的冷却过程，单激光脉冲作用后经过充分冷却，基底溫度快速降到烙石英烙融溫度W下，连 续单激光脉冲的平均功率为0.5 W，较低的平均功率避免福照区域基底材料处于高溫状态， 避免更大范围材料的烙融； 4. 烙石英表面典型的激光损伤点具有大量的微裂纹等损伤形貌，通过叠加单激光脉冲 气化剥离部分损失材料，最终达到全部损伤材料的去除，实现损伤修复。设置单激光脉冲光 斑重叠率为75%，气化剥离损伤材料路径是使用扫描振镜驱动单激光脉冲光斑W螺旋点阵、 矩形点阵或圆形点阵逐层去除损伤区域的材料，在逐层去除过程中每一层W损伤点为中 屯、，层与层之间逐步增大点阵的直径，最终去除全部的损伤材料，形成一个表面光洁的圆锥 形的修复坑点。
[0019] 使用PTC-702应力仪采用锐敏色法测量烙石英修复点应力分布情况，分别从俯视 和侧视的角度测量烙石英修复点沿径向和深度的应力，应力测量结果表明本发明的修复方 法获得的修复点测不出应力。因此，本发明的烙石英激光损伤的无热残余应力修复方法极 大地抑制了 C〇2激光修复损伤的热残余应力，获得了无热残余应力的修复点。
[0020] 实施例2 本实施例的实施方式与实施例1基本相同，主要区别在于，高峰值功率矩形激光脉冲的 脉宽为15ys，上升沿为1000ns，下降沿为1000ns;单激光脉冲光斑直径为100皿，峰值功率密 度为1.3 X 106W/cm2，单激光脉冲间隔时间为2ms，连续单激光脉冲平均功率为1.0W。
[0021] 实施例3 本实施例的实施方式与实施例1基本相同，主要区别在于，高峰值功率矩形激光脉冲的 脉宽为30ys，上升沿为1000ns，下降沿为1000ns;单激光脉冲光斑直径为140μπι，峰值功率密 度为1.0 X 106W/cm2，单激光脉冲间隔时间为2ms，连续单激光脉冲平均功率为2.0W。
[0022] 表 1
【主权项】
1. 一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，其特征在于，包括以下步骤： a. 截取高峰值功率矩形激光脉冲； b. 聚焦高峰值功率矩形激光脉冲，获得甚高峰值功率密度单激光脉冲； c. 使用单激光脉冲瞬间气化剥离基底上的单点的损伤部位材料； d. 控制单激光脉冲间隔，使基底充分冷却，重复步骤c，直至去除损伤部位全部材料。2. 根据权利要求1所述的一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，其特征在于， 所述的步骤a的高峰值功率矩形激光脉冲是通过裁剪激光器输出脉冲的峰值段获得的，高 峰值功率矩形激光脉冲的脉宽调整范围为4y S~30yS，上升沿小于等于1000ns，下降沿小于 等于 1000ns。3. 根据权利要求2所述的一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，其特征在于， 所述的激光器为射频激励C〇2激光器，波长为10.6μηι，光斑呈高斯分布。4. 根据权利要求1所述的一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，其特征在于， 所述的步骤b、步骤c的单激光脉冲的峰值功率密度大于等于I X 106W/cm2,单激光脉冲的光 斑直径尺寸范围为80μηι~140μηι。5. 根据权利要求1所述的一种恪石英激光损伤的无热残余应力修复方法，其特征在 于，所述的步骤d的单激光脉冲间隔时间大于等于lms，连续单激光脉冲的平均功率范围为 0.5 W ~2W〇6. 根据权利要求1所述的一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，其特征在于， 所述的步骤d的单激光脉冲在基底上的运动轨迹形状为螺旋点阵、矩形点阵或圆形点阵。
【文档编号】C03C15/00GK105948519SQ201610306938
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】张传超, 廖威, 王海军, 张丽娟, 叶亚云, 陈静, 蒋岚, 蒋一岚, 栾晓雨, 袁晓东, 郑万国
【申请人】中国工程物理研究院激光聚变研究中心