强激光辐照下熔石英与KDP晶体的缺陷诱导损伤行为及机制研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yuanyuan814606754
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熔石英和KDP晶体是现阶段高功率固体激光装置终端光学组件中的两大功能性紫外光学材料。在激光惯性约束聚变研究的牵引下,当前国内外大型高功率固体激光装置的输出通量日益攀升,终端光学组件中传输的紫外脉冲激光能量密度己经高达8 J/cm2(351 nm、5ns),并且还有望进一步提升,在这种极端工作条件下,熔石英和KDP晶体所面临的紫外激光诱导损伤问题变得日益严峻,己成为制约激光惯性约束聚变发展的瓶颈问题。理想的熔石英材料和KDP晶体对351 nm的紫外脉冲激光几乎没有吸收,基于能带理论及多光子电离等模型计算出的结果也表明其损伤阈值远高于现阶段高功率固体激光装置的运行通量,但由于熔石英材料、KDP晶体在材料制备以及元件加工等各个环节会不可避免地引入各类缺陷,从而成为导致这两类紫外光学材料在较低的激光通量下产生激光损伤的主要原因。对于熔石英表面的激光损伤和KDP晶体的材料体损伤,目前己经确定表面加工(处理)过程中引入的表面缺陷和晶体生长过程中引入的体缺陷是分别限制其抗激光损伤性能的主要原因,但目前为止并未获得这些缺陷的特征参量与激光损伤之间的具体关系。本论文将通过机械抛光、磁流变抛光和动态化学刻蚀的方式对熔石英的表面缺陷进行控制,通过热退火和激光预处理技术对KDP晶体的材料缺陷进行改性,从而研究不同缺陷分布特征下的熔石英、KDP晶体损伤行为特征,并定量化地研究不同缺陷特征参量变化对熔石英、KDP晶体激光诱导损伤的影响。此外,对于熔石英材料的体损伤行为以及体缺陷诱导的体损伤机制也开展了相应研究。本论文的主要研究内容和结果如下:一、针对精密机械抛光、磁流变抛光和动态化学刻蚀,利用飞行时间二次离子质谱、激光诱导荧光成像、荧光光谱以及光热弱吸收等手段,对不同工艺条件下熔石英表面缺陷的演变及转化趋势进行了分析表征。研究结果表明机械抛光工艺会在几十纳米的浅表层残留金属杂质,非金属杂质的分布深度超过10 μm以上。采用动态化学刻蚀能够实现对熔石英亚表面污染性缺陷和破碎性缺陷的有效控制;通过增加动态化学刻蚀深度,也可实现对熔石英表面强吸收缺陷及色心(E’)、氧空位(ODC)、自捕获激子(STE)等结构性缺陷的显著抑制。磁流变抛光可导致表面荧光缺陷及光热弱吸收系数的显著增加,这与工艺过程中吸收性金属杂质和有机物污染的增加有关。二、从损伤阈值、损伤密度等方面系统对比了不同工艺条件下熔石英表面的抗损伤性能差异,采用激光诱导荧光成像和光热弱吸收手段对不同工艺条件下熔石英表面的吸收性缺陷进行了定量统计,利用相关性分析原理研究了熔石英表面吸收性缺陷与抗激光损伤性能之间的定量相关性。结果表明峰值光热弱吸收系数与熔石英表面的抗损伤性能之间不存在显著的相关性,而荧光缺陷百分比、平均光热弱吸收系数分别与损伤阈值、损伤密度存在显著的相关性,Spearman秩相关系数均大于0.9,且定量拟合关系曲线分别符合指数衰减和幂指数递增关系。通过高拟合度的平均光热弱吸收系数与损伤密度关系曲线,实现了对熔石英元件表面抗激光损伤性能的间接评估。三、通过建立大能量体外聚焦测试方法,获得了典型紫外熔石英材料(熔炼石英、合成石英)的体损伤阈值,结果表明合成熔石英材料的355 nm体损伤阈值介于75J/cm2~90J/cm2之间,熔炼石英的体损伤阈值仅为合成石英的一半。通过相关性统计原理计算并分析了熔石英材料体缺陷对体损伤阈值的影响,结果表明体内气泡显著降低了熔炼石英的体损伤阈值,主要原因在于其导致的入射光场调制。对于高纯度合成石英而言,金属杂质、羟基含量与体损伤阈值的相关性较低,而355 nm紫外光热弱吸收系数与体损伤阈值有较高的相关性,Spearman秩相关系数达到-0.72,证实了紫外光吸收仍是导致熔石英材料产生体损伤的主要原因;此外,在加工表面存在低阈值损伤前驱的前提下,熔石英的体损伤阈值对表面的抗损伤性能没有明显的影响。四、针对KDP晶体材料的体损伤,开展了 KDP晶体在紫外脉冲激光辐照下的初始损伤和损伤增长行为研究,获得了 KDP晶体的体损伤形貌特征、功能性损伤阈值以及损伤增长阈值。以激光预处理和热退火为手段,对KDP晶体的材料缺陷进行了改性处理,并综合利用荧光光谱、吸收光谱、正电子湮没寿命谱以及光热弱吸收等手段系统表征了不同工艺条件下KDP晶体的体缺陷分布特性,重点研究了 KDP晶体材料缺陷诱导损伤的内在机制。结果表明热退火能够降低KDP晶体的间隙氢、氢空位等点缺陷含量,并在一定程度上减少空位缺陷的尺度及紫外弱吸收,这是热退火改善KDP晶体抗激光损伤性能的原因之一。此外,正电子湮没寿命谱所表征的空位缺陷与KDP晶体的抗损伤性能具有强烈的相关性,τ2尺度的空位缺陷与8 J/cm2通量下的损伤密度完全相关;高通量、多发次的激光预处理能够减小KDP晶体内空位团缺陷的尺度,同时降低KDP晶体的紫外弱吸收,并改善预处理对缺陷改性的均匀性,这是紫外脉冲激光预处理显著提升KDP晶体抗激光损伤性能的重要机制。本论文的工作有助于进一步提升高功率固体激光装置中熔石英元件、KDP晶体的抗紫外激光损伤性能,并为紫外光学材料的选材及使用策略的优化提供必要的参考,具有重要的科学意义和实际应用价值。
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