随着大型固体激光系统能量密度逐渐提高,光学元件抗损伤能力低已经成为阻碍增大输出能量的重要原因,而亚表面缺陷是诱导激光损伤的重要原因之一。针对该项研究,主要有三方面的问题需要解决。首先,亚表面缺陷的样貌、诱导损伤的机理及相关参数,是更加深入的问题,必须进行定量的研究。其次,从生产工艺上说,如果能够找到新的工艺减少亚表面缺陷,势必提高光学元件的抗损伤能力。最后,从最终目标,即提高元件激光损伤阈值来说,采用新工艺是否能够去除亚表面层的裂纹与杂质等缺陷以提高光学元件的损伤阈值,使这些工艺能够广泛应用于神光Ⅲ大口径光学元件的生产,必须得到确实的验证,故必须测试具体的损伤样貌。 在硕士研究生期间,基于以上三个问题,我们就熔石英亚表面缺陷诱导损伤的机理从理论和实验验证上进行了探讨,课题期间进行的工作及主要获得的成果包括: 一、在国际针对亚表面缺陷已经获得的成果基础上,开展了理论模拟技术研究。参考了LLNL采用时域有限差分(FDTD)法对杂质的计算流程,设计了熔石英内划痕与再沉积层杂质的缺陷模型,使用FDTD计算方法讨论了缺陷对激光电磁场的调制作用,从理论上研究缺陷参数对诱导损伤的作用。计算结果表明,二倍波长尺寸的划痕、一倍波长的杂质对损伤贡献最大,而杂质的作用明显强于划痕。 二、开展了亚表面缺陷形态探测技术的研究。使用显微镜与轮廓仪等仪器检测亚表面划痕型缺陷的样貌,包括表现形式、稠密分布,结果表明,划痕主要可分为连续型与间断型两种,它们的稠密分布相差较大。另外重点基于理论计算的结果,探讨抛光产生的缺陷的主要参数,以表明这些缺陷是否对诱导损伤有贡献。结果表明,这些划痕由于尺寸远大于波长或太浅,对损伤过程无明显作用。 三、实验讨论了酸蚀法是否能够减少抛光产生的亚表面缺陷,从浅度刻蚀与极深度刻蚀的方面给出了显微镜检测结果,实验表明,细小划痕易被浅度酸蚀去除,长度较大、较深的划痕即使刻蚀极深也难以去除,但有钝化效应。另外验证了酸蚀不会对光学元件表面面形造成明显影响,证明该工艺的可行性。 四、开展了磁流体加工工艺的研究,证实了该工艺对提高元件表面精度、减少亚表面层裂纹型缺陷的积极作用,也指出了它引入大量再沉积层杂质的缺点。故在参考了LLNL采用混合工艺可提高元件损伤阈值的实验成果后,我们研究了酸蚀与磁流体加工结合的方法对减少杂质以提高激光阈值的可行性,针对熔石英基片在星光Ⅱ激光器上进行了损伤实验,肯定了该混合工艺对提高元件激光阈值的积极作用。