一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学材料与光学元件
，具体涉及一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法。
技术介绍
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。2006年，赵松楠等人介绍了CO2激光熔融修复熔石英元件表面损伤（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，提高了损伤阈值（黄进 等.中国激光,334(5),723-727(2007)）；2009年，黄进等人利用CO2激光对熔石英表面缺陷进行局部熔融修复，改善了深度200nm划痕的损伤阈值（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，实现大尺寸损伤点熔融修复的方法，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熔融修复（罗成思 等.大众科技，12,103-105 (2011)）。2012年，李熙斌等人采用CO2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CO2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温度分布规律（蒋勇 等.物理学报，63,068105 (2014)）。2010年，刘红婕等人指出CO2激光热致应力影响熔石英的损伤阈值，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（刘红婕 等.物理学报, 59(2), 1308-1313 (2010)）。2011年，向霞等人采用高温炉退火技术对熔石英元件表面CO2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，需要在退火后进行氢氟酸溶液刻蚀才可以恢复损伤阈值（向霞 等. 强激光与粒子束, 23(9), 2396-2400(2011)）。2013年，刘春明等人指出CO2激光损伤修复残余应力处阈值较低，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以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后需要使用氢氟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熔石英材料存在固有的缺陷，难以工程化应用。因此，现有的熔石英损伤修复方法尚不具备简洁高效地修复损伤的能力，亟需一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法。本专利技术的熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，其特点是，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。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4μs~30μs，上升沿小于等于1000ns，下降沿小于等于1000ns。所述的激光器为射频激励CO2激光器，波长为10.6μm，光斑呈高斯分布。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1×106W/cm2，单激光脉冲的光斑直径尺寸范围为80μm ~140μm。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。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。本专利技术的熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法具有如下优点：1. 本专利技术的熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法有效控制了熔石英基底发生高温结构弛豫，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熔石英损伤修复。2. 本专利技术的熔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熔石英元件表面带来污染，不需要采取污染处理措施。3. 本专利技术的熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，有效地提升了熔石英损伤点的损伤阈值，抑制了元件表面损伤及其增长，延长了激光诱导损伤的熔石英光学元件的使用寿命。具体实施方式下面结合实施例详细说明本专利技术。以下实施例仅用于说明本专利技术，而并非对本专利技术的限制。有关
的人员在不脱离本专利技术的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术方案也属于本专利技术的范畴。表1为实施例中的技术数据。实施例11.最高连续输出功率100W的射频激励CO2激光器，设置输出频率为1000Hz,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CO2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CO2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4μs的高峰值功率矩形激光脉冲，上升沿为800ns，下降沿为800ns；2.利用5倍的扩束镜对CO2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80μm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2.7×106W/cm2，被辐照的基底上的单点的损伤部位材料瞬间升温到气化点以上气化剥离远离熔石英元件表面，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1000Hz,即在1000μ本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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4μs~30μs，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张传超，廖威，王海军，张丽娟，叶亚云，陈静，蒋一岚，栾晓雨，袁晓东，郑万国，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51