成都精密光学工程研究中心, 四川 成都 610041
研究了经过CO2激光处理的溶胶-凝胶SiO2薄膜的物理化学性能和抗激光损伤性能, 研究结果表明激光处理后薄膜表面变得更加光滑, 粗糙度从14.08 nm降低到9.76 nm, 下降了30%以上; 薄膜的厚度随着CO2激光处理功率增加有所降低, 经过20 W激光处理后薄膜的厚度下降了17%~28%, 而薄膜的弹性模量和硬度等力学性能获得提升, 弹性模量从1.5 GPa增加到6 GPa, 硬度从40 MPa增加到110 MPa; 傅里叶变换红外光谱测试结果表明激光处理后薄膜的傅里叶光谱峰值从1 125 cm-1 移动至1 120 cm-1, 薄膜中的硅原子和氧原子的平均桥键角变小, 原因为CO2激光处理时会使局部温度升高, 会加速Si—OH键脱水缩合, 孔隙率降低, 吸收下降。 采用紫外纳秒激光对薄膜进行损伤测试, 结果显示经过12 W CO2激光处理后的薄膜与未经过CO2激光处理的薄膜相比损伤面积更小, 而损伤阈值从4.8 J·cm-2上升到7 J·cm-2, 提升了46%; 经过16 W和20 W CO2激光处理的薄膜紫外纳秒激光损伤阈值没有明显变化, 原因为较高功率CO2激光处理导致薄膜表面发生烧蚀沉积, 沉积物会影响紫外纳秒损伤阈值无法有效改善薄膜的激光损伤性能。 研究结果表明CO2激光处理技术可以有效改善溶胶-凝胶SiO2薄膜的弹性模量、 硬度等力学性能和抗激光损伤性能, CO2激光的功率对薄膜性能影响较大, CO2激光处理是一种有效的提升溶胶-凝胶SiO2薄膜紫外纳秒激光损伤特性的技术手段。
CO2激光 溶胶-凝胶薄膜 激光处理 光谱特性 紫外纳秒激光损伤 CO2 laser Sol-gel film Laser conditioning Spectral characteristics Laser induced damage 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1752
1 成都精密光学工程研究中心，四川 成都 610041
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
采用蒙特卡罗方法研究了在不同溅射参数和材料模型下，溅射产额、损伤密度分布和纵向能量损伤分布等溅射特征参量对离子束溅射作用效果的影响。通过SRIM-2013软件的粒子跟踪和物理统计结果，分析了离子束初始能量、入射角度、离子种类和材料类型对表面溅射效果和能量沉积的影响规律，研究了表面损伤分布规律与溅射参数和溅射产额的关系。结果表明：85°的束源倾角设置可促进级联粒子密度集中和密度峰值群向表面移动分别达到2.8×108 atom/cm2和310-10 m，平均能量损失减小45.6%，Ar+溅射产额提高4.7倍；声子和电离产生大量的能量损失抑制了溅射产额的提高，两种能量损失占总损失比在0°入射时分别可达69%和30%。
材料 蒙特卡罗方法 离子束 SRIM 溅射产额 损伤分布 能量损失 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0716001
强激光与粒子束
2022, 34(4): 041005
1 成都精密光学工程研究中心, 四川 成都 610041
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
通过原子层沉积技术在熔石英玻璃表面制备了同质材料的单层SiO2薄膜, 对光学薄膜的物理化学性质和强激光辐照下的激光诱导损伤性能进行了深入研究。 实验中采用双叔丁基氨基硅烷(BTBAS)和臭氧(O3)作为反应前驱体, 在熔石英光学元件表面进行了SiO2薄膜的原子层沉积工艺研究, 以不同沉积温度条件制备了一系列膜样品。 首先对原子层沉积特性和薄膜均匀性展开了研究, 发现薄膜生长厚度与沉积循环次数之间符合线性生长规律, 验证了制备薄膜的原子级逐层生长特性, 并且表面沉积膜层的均匀性很好, 其测得膜厚波动不超过2%。 然后针对不同温度条件下沉积的SiO2薄膜, 对其粗糙度及各类光谱特性展开了研究, 对比结果表明: 样品的表面粗糙度在镀膜后有轻微的降低; 薄膜样品在200~1 000 nm范围内具有出色的透过率, 均超过90%并逐渐趋近于93.3%, 且其透射光谱与在裸露熔石英衬底上测得的光谱没有明显差异; 镀膜前后荧光光谱和傅里叶变换红外光谱的差异证实了原子层沉积SiO2膜中点缺陷(非桥键氧、 氧空位、 羟基等)的存在, 这将会影响薄膜耐损伤性能。 最后对衬底和膜样品进行了紫外激光诱导损伤测试, 损伤阈值的变化表明熔石英元件表面沉积薄膜后的激光损伤性能有所降低, 其零概率损伤阈值从31.8 J·cm-2减小到20 J·cm-2左右, 与光谱缺陷情况表征相符合。 薄膜中点缺陷部位会吸收紫外激光能量, 导致局域温度升高, 进而出现激光诱导损伤现象并降低抗激光损伤阈值。 在选定的沉积温度范围内, 较高温度条件下沉积的SiO2薄膜其激光诱导损伤性能更好, 可以控制沉积温度条件使得元件的抗损伤性能更为接近衬底本身, 后续有望通过其他反应参数的优化来获得薄膜抗损伤性能的进一步提升。
原子层沉积 二氧化硅 沉积温度 光学特性 激光诱导损伤 Atomic layer deposition Silicon dioxide Deposition temperature Optical properties Laser-induced damage 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2307
1 上海理工大学 机械工程学院, 上海 200093
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 绵阳 621900
为了提高熔石英元件的抗激光损伤能力, 采用基于氢氟酸刻蚀的湿法化学技术去除元件内的激光损伤诱因。利用不同的氢氟酸溶液处理经氧化铈抛光的熔石英元件, 并对元件的刻蚀速率、表面洁净度、粗糙度、透过率和激光损伤性能进行评价。研究结果表明, 与传统的静态刻蚀相比, 在质量分数为6%的氢氟酸刻蚀溶液中引入能量密度约为0.6 W/cm2的兆声能量对元件的溶解速率和激光损伤性能没有明显的提升作用; 化学刻蚀产生的沉积物对元件表面粗糙度和透过率均有不利影响, 且沉积物比例与所用的刻蚀液成分和浓度密切相关; 经质量分数6%或12%的纯氢氟酸溶液刻蚀(5±1) μm深度后, 熔石英元件的激光损伤阈值相比于未刻蚀元件提升了约1.9倍; 熔石英元件的激光损伤性能与表面粗糙度和透过率之间不是简单的线性关系, 但激光损伤阈值较理想的元件(＞20 J/cm2@3ns)往往具有较光滑的表面, 即表面粗糙度＜2 nm, 由此可以确定有利于熔石英元件激光损伤性能的刻蚀条件, 并获得元件表面粗糙度的控制指标。
激光损伤性能 熔石英 氢氟酸湿法刻蚀 刻蚀沉积物 表面粗糙度 laser damage performance fused silica optics HF-based etching etching-induced deposits roughness
成都精密光学工程研究中心, 四川 成都 610041
针对355 nm激光作用于熔石英光学元件后其损伤阈值容易变差的问题, 提出使用1.7%纯HF溶液和0.4%HF与1.2%NH4F混合的BOE溶液对样品进行处理来提高它们的激光诱导损伤阈值(LIDT)。在相同的条件下将熔石英光学元件浸没到上述两种不同的刻蚀溶液中进行处理, 通过测量刻蚀过程中元件重量变化来计算刻蚀速率, 利用Zygo轮廓仪测试元件表面粗糙度, 然后对355 nm激光照射下熔石英元件的损伤阈值情况进行研究。损伤测试表明, LIDT与元件的材料去除深度有关系, 用两种刻蚀液刻蚀去除一定深度后, LIDT均有增加, 但是进一步去除会显著地降低元件的LIDT。在处理过程中, 这两种刻蚀液的去除速率都很稳定, 分别为85.9 nm/min和58.6 nm/min左右。另外, 元件表面的粗糙度会随着刻蚀时间的增加而变大。在刻蚀过程中还通过纳米技术测量了熔石英元件表面的硬度及杨氏系数, 不过没有证据表明其与激光诱导损伤有明确的关系。
熔石英 光学元件 激光损伤阈值 化学改性 刻蚀速率 表面粗糙度 机械特性 fused silica optical element Laser-induced Damage Thresholds (LIDT) chemical modification etching rate surface roughness mechanical properties 光学 精密工程
2016, 24(12): 2956
为解决强激光系统中大口径光学元件抛光面形精度收敛困难的问题,提出了一种基于压力补偿原理的抛光面形快速收敛技术。利用独特的抛光垫修整技术, 将抛光垫表面修整成特定形状, 使工件与抛光垫的接触面产生不均匀的压力分布, 并结合精确的抛光转速控制, 以加快工件面形精度的收敛速度。实验结果表明, 将抛光垫修整成微凸面形,可以有效避免抛光中元件过早塌边问题, 能将大口径平面元件的初抛时间从数天缩短到6 h以内, 元件面形精度提高到1个波长左右。
光学元件 抛光 面形精度 压力分布 抛光垫 optical components polishing surface precision pressure distribution polishing pad
抛光是光学加工中获得超精密表面的主要手段。为明确抛光垫特征对平面光学元件抛光面形的影响规律，分析了抛光垫与工件之间的界面接触形式，并建立接触力学分析模型，运用有限元方法分析了工件与抛光垫之间的接触压力分布情况，获得了抛光垫厚度及表面球半径等特征对抛光压力分布的影响规律。基于理论分析结果，提出了一种新的平面抛光面形控制技术。在实验中对一块尺寸为430 mm×430 mm×60 mm 的熔石英元件进行了加工，通过将抛光垫表面修整为微凸面，同时对抛光转速比进行精确控制，实现了工件面形精度的快速收敛。
光学加工 抛光 工件面形 压力分布 抛光垫 optical manufacturing polishing workpiece surface form pressure distribution polishing pad
1 成都精密光学工程研究中心,成都 610041
2 厦门大学 机电工程系,福建 厦门 361005
本文研究了应用于平面光学元件的快速抛光技术,从材料去除率、元件面形和表面粗糙度出发,对快速抛光技术应用于平面大口径元件的加工效果进行了探讨。研究了在快速抛光技术中压力和主轴转速对材料去除率的影响,验证了Preston公式在快速抛光中的适用性,快速抛光技术的去除效率可达10μm/h;其次,研究了聚氨酯抛光元件面形的精度,对于330mm×330mm元件可达～1.0λ(λ=632.8nm);最后,对快速抛光系统中抛光粉颗粒大小及形态随使用时间的变化进行了观测,并测量了使用300目和500目抛光粉时快速抛光元件表面粗糙度以及其随抛光粉使用时间的变化。
聚氨酯 材料去除率 元件表面面形 表面粗糙度 polyurethane material removal rate surface form surface roughness
