新型后处理工艺对熔石英三倍频激光损伤性能的影响研究

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熔石英因其优良的光学性质和化学稳定性在激光装置的光学系统中得到了广泛应用。磨削、抛光等加工使熔石英元件达到表面质量和形状精度等要求的同时,也在元件表面引入了各类缺陷。这些缺陷会强烈吸收紫外光,在远低于熔石英元件本征损伤阈值的能量下诱发表面损伤。随着激光装置能量的不断提高,熔石英元件的激光诱导损伤问题成为了限制强激光系统输出能量的关键问题之一。本文基于湿法化学刻蚀工艺和退火工艺等后处理工艺技术,探索了提高熔石英三倍频激光诱导损伤阈值(Laser-induced Damage Threshold,LIDT)的新型后处理工艺,通过微观表征手段分析了各种后处理技术条件下各类缺陷的去除机理及演化规律,明确了不同后处理方法对元件表面质量及损伤性能的影响。主要内容如下:首先,针对传统HF基湿法刻蚀技术,研究了不同清洗条件下熔石英元件表面残留的痕量污染物对刻蚀过程和元件特性的影响。结果表明依次经表面活性剂清洗、纯水喷淋、纯水漂洗的熔石英由于表面杂质得到了有效去除,其在HF基刻蚀后具有更佳的激光诱导损伤性能和表面质量,其LIDT提高了44.8%。其次,对熔石英元件在完成HF基刻蚀的基础上进行气氛退火处理,探索不同气氛退火处理对LIDT的影响,研究了前期加工引入的各类缺陷在不同气氛退火处理后的变化及其对LIDT的影响机制。发现在HF基刻蚀使元件亚表面缺陷暴露和钝化的基础上,气氛退火处理可以进一步减少结构型缺陷从而使得激光诱导损伤性能提升,经HF基刻蚀后再在氧气气氛中退火的熔石英的LIDT提高了75.4%。最后,探索了以KOH为蚀刻液的热碱刻蚀工艺对LIDT的影响。在明确270KHz的超声频率更有利于提升LIDT的基础上,研究刻蚀深度对熔石英LIDT的影响机制,建立缺陷变化规律与LIDT变化规律之间的联系。发现KOH刻蚀深度从浅至深的过程中,元件表面始终保持良好的粗糙度水平,但熔石英的LIDT呈现先增大后减小的变化趋势。结合各类缺陷的表征结果,发现随着刻蚀时间和深度的推移,浅表面的结构型缺陷大幅减少,沉积在元件新表面的反应生成物成为了限制LIDT提高的最重要的原因。因此,熔石英经KOH刻蚀4.5μm左右后具有最佳的激光损伤性能,其LIDT提高了76.7%。
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