HF酸處理對(duì)石英玻璃355 nm激光損傷影響研究

遲海軍，高 勛，趙東峰，林景全

(1．長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130022;

2．上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，上海201800)

CHIHai－ jun1，GAO Xun1，ZHAO Dong － feng2，LIN Jing － quan1

(1．School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China;2．Joint Laboratory for High Power Laser Physics，Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai201800，China)

1 引言

石英玻璃是一種非晶態(tài)、各向同性的物質(zhì)，具有耐高溫、低膨脹系數(shù)、光譜透過率高、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是紫外和中紅外理想的窗口材料。在激光慣性約束核聚變(Inertial Controlled Fusion)研發(fā)中，用于光學(xué)窗口材料的石英玻璃抗紫外355 nm的激光損傷問題成為制約高功率激光裝置發(fā)展的重要瓶頸。因此，研究355 nm激光對(duì)石英玻璃的損傷以及損傷加固對(duì)高功率激光技術(shù)的發(fā)展具有重要意義［1］。

激光誘導(dǎo)損傷是受激光參數(shù)、材料性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)條件等多種因素影響的過程。近年來在355 nm激光對(duì)熔石英玻璃損傷研究方面有很多報(bào)道［2－5］，研究激光脈寬、環(huán)境氣體、外加電場(chǎng)等對(duì)損傷行為的影響［6－8］，開展了石英玻璃制作工藝、激光預(yù)處理、酸蝕刻、粒子束拋光、激光修復(fù)［5，9－11］等方式去除石英玻璃表面缺陷提高激光損傷閾值研究。本文開展HF酸處理石英玻璃表面提高355 nm激光損傷的研究，優(yōu)化HF溶液濃度以及石英玻璃表面的酸處理時(shí)間，結(jié)合激光輻照石英玻璃損傷形貌，表明HF蝕刻石英玻璃表面較大程度上提高了石英玻璃355 nm激光損傷閾值，對(duì)損傷閾值提高機(jī)制進(jìn)行了分析。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 355 nm激光誘導(dǎo)石英玻璃損傷閾值測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置Fig．1 Experimental setup of quartz glass damage threshold induced by 355 nm laser

參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO－11254和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T－16601，355 nm脈沖激光誘導(dǎo)石英玻璃的光學(xué)損傷閾值測(cè)試裝置如圖1所示。較355 nm激光脈沖輻照石英玻璃前后的示波器數(shù)值的變化，從而初步判斷石英玻璃是否損傷。石英玻璃的損傷形貌由金相顯微鏡(OLYMPUS，型號(hào):DP72)對(duì)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)樣品石英玻璃(江蘇海安恒星光學(xué)元件廠生產(chǎn)，型號(hào):JGS2)尺寸為30 mm ×30 mm ×6 mm，雙面拋光。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)過程中355 nm激光對(duì)石英玻璃輻照為間距4 mm的6×6點(diǎn)陣。采用國(guó)際ISO－11254中1－on－1方法，實(shí)驗(yàn)測(cè)得HF酸未處理的石英玻璃100%損傷閾值(laser induced damage threshold，LIDT)為5．67 J/cm2。為了提高石英玻璃 355 nm激光損傷閾值，利用HF酸處理石英玻璃表面，需要考慮HF酸濃度以及酸刻蝕時(shí)間，HF濃度太高容易導(dǎo)致酸腐蝕掉石英玻璃表面質(zhì)量［12］。分別用5%、10%、15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HF酸溶液對(duì)石英玻璃進(jìn)行15 min的蝕刻，HF酸處理后的石英玻璃在355 nm處透過率用分光光度計(jì)(日本島津，型號(hào):MPC－3100)測(cè)量。5%、10%、15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HF酸刻蝕15 min后的石英玻璃透過率和激光損傷閾值測(cè)量結(jié)果如圖2所示，質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度0%表示為HF酸未刻蝕的石英玻璃。

Nd∶YAG激光器(德國(guó)Innolas 400)三倍頻輸出波長(zhǎng)為355 nm，脈寬8 ns，光斑直徑5 mm的激光光束，355 nm二分之一波片和激光格蘭棱鏡組成能量衰減系統(tǒng)用來連續(xù)改變激光脈沖能量，在實(shí)驗(yàn)光路上放置一石英玻璃分束片，分出的激光能量用激光能量計(jì)(探頭:FieldMaxLL－TOP，型號(hào):J－25MB－LE)進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算給出聚焦到石英玻璃的激光脈沖能量，經(jīng)平凸石英透鏡(f=200 mm)聚焦到石英玻璃表面上，石英玻璃固定在三維平移臺(tái)，在石英玻璃表面位置的激光光束直徑為108μm。He－Ne激光經(jīng)透鏡(f=150 mm)聚焦在石英玻璃355 nm激光光斑位置，利用功率計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量玻璃片分出的He－Ne激光功率，石英玻璃表面反射的He－Ne激光經(jīng)過透鏡(f=150 mm)聚焦在光電二極管探測(cè)器表面，示波器對(duì)反射的He－Ne激光功率值進(jìn)行測(cè)量，比

圖2 酸刻蝕15 min時(shí)石英玻璃的透過率和損傷閾值隨HF酸濃度變化曲線Fig．2 Transmission and damage threshold of quartz glass varied with HF acid concentration after HF etching 15 minutes

從圖2可以看出經(jīng)5%、10%、15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HF酸進(jìn)行15 min刻蝕后石英玻璃的透過率和損傷閾值均有明顯提高，均隨HF酸濃度的增加呈現(xiàn)先增加后下降變化，分別在HF酸濃度5%和10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)達(dá)到最大值。經(jīng)5%、10%、15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HF酸處理后石英玻璃的損傷閾值分別為6．12 J/cm2、10．34 J/cm2、9．18J/cm2，相對(duì)于未經(jīng)酸處理而言分別提高了 7．9%、82．4%、61．9%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在HF酸濃度為10%時(shí)刻蝕15 min的355 nm激光損傷閾值提高最大。以10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度的HF酸分別對(duì)4塊石英玻璃樣品蝕刻10 min、30 min、60 min 和 120 min 后的透過率和激光損傷閾值測(cè)量結(jié)果如圖3所示，刻蝕時(shí)間為0表示為未經(jīng)HF酸刻蝕的石英玻璃。

圖3 10%HF濃度時(shí)石英玻璃的透過率和損傷閾值隨HF酸刻蝕時(shí)間變化曲線Fig．3 Transmission and damage threshold of quartz glass varied with HF acid etching time at10%concentration

從圖3可知在質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%濃度的HF酸分別對(duì)5塊石英玻璃樣品刻蝕10 min、15 min、30 min、60 min和120 min后石英玻璃的透過率和損傷閾值均有明顯提高，整體上均隨HF酸處理時(shí)間增加呈現(xiàn)先增加后下降變化，分別在HF酸刻蝕時(shí)間15 min和60 min時(shí)達(dá)到最大值。經(jīng)HF酸刻蝕10 min、15 min、30 min、60 min和120 min后石英玻璃的355nm激光損 傷 閾 值 分 別 為 12．88 J/cm2、10．34 J/cm2、13．82 J/cm2、15．17 J/cm2、10．15 J/cm2，相對(duì)于未經(jīng)酸處理而言分別提高了127．2%、82．4%、143．7%、167．5%、79．0%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在HF酸濃度為10%時(shí)刻蝕60 min的355 nm激光損傷閾值提高最大。

圖4 355 nm激光誘導(dǎo)有/無酸刻蝕的石英玻璃的損傷形貌Fig．4 quartz glass surface damagemorphology induced by 355 nm pulse laser with/without HF acid etching

圖4 為相同能量密度355 nm激光誘導(dǎo)有/無酸蝕刻的石英玻璃的損傷形貌。圖4(a)和(c)是無HF酸處理石英玻璃表面損傷形貌，激光能量密度分別為21．47 J/cm2和289．08 J/cm2，損傷面積分別為2．3 ×103μm2和4．8 ×104μm2。圖4(b)和(d)為10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度的HF酸刻蝕60 min后的石英玻璃表面損傷形貌，激光能量密度分別為21．47 J/cm2和 289．08 J/cm2，損傷面積分別為2．7 ×102μm2和7．1×104μm2。對(duì)比355 nm激光誘導(dǎo)有/無酸刻蝕的石英玻璃的損傷形貌可知，在小激光能量密度時(shí)，經(jīng)過HF酸處理過的石英玻璃激光損傷閾值提高，與未處理的石英玻璃相比較而言損傷面積小，這是因?yàn)镠F酸處理后，石英玻璃表面雜質(zhì)、污染物等減少，從而對(duì)355 nm激光脈沖吸收減弱，從而激光損傷面積較小;當(dāng)高激光能量密度時(shí)，經(jīng)HF酸處理過的石英玻璃激光損傷面積與未處理的石英玻璃相比較而言損傷面積變大，這是由于激光損傷過程中產(chǎn)生的沖擊波橫向傳輸未受到雜質(zhì)缺陷等約束，沖擊力誘導(dǎo)產(chǎn)生表面損傷，從而使損傷面積變大，另外對(duì)比還可發(fā)現(xiàn)HF酸處理后的樣品表面炸裂現(xiàn)象減弱。

石英玻璃的355 nm激光誘導(dǎo)損傷是由多光子吸收導(dǎo)致的雪崩電離機(jī)制造成，損傷過程中沖擊波作用下產(chǎn)生拉應(yīng)力和壓應(yīng)力超過石英玻璃本身的抗拉和抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生裂紋出現(xiàn)，由于玻璃介質(zhì)的非線性效應(yīng)出現(xiàn)小尺寸自聚焦效應(yīng)，石英玻璃的激光毀傷表現(xiàn)為以炸裂形式破壞。石英玻璃表面切割、研磨、拋光工藝過程中，在亞表面及表面產(chǎn)生微裂紋、劃痕等，石英玻璃表面附著拋光粉一層重沉積層，這些缺陷形成入射355 nm激光的光吸收中心，導(dǎo)致石英玻璃的激光損傷閾值較本征石英玻璃降低。HF酸刻蝕石英玻璃，有效去除了表面的重沉積層，消除或鈍化了樣品在機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的微裂紋［13］，去除了亞表面缺陷，從而提高石英玻璃的激光誘導(dǎo)損傷閾值［14］，因而HF酸化學(xué)處理對(duì)提高石英玻璃抗激光損傷是相當(dāng)有效的。

4 結(jié)論

本文開展了基于HF酸刻蝕方法對(duì)石英玻璃表面進(jìn)行處理，提高了355 nm的激光誘導(dǎo)損傷閾值，并且355 nm的光學(xué)透過率增加。石英玻璃的透過率和損傷閾值在質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、10%、15%的HF濃度蝕刻石英玻璃15 min時(shí)均有提高，且在質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的HF濃度355 nm激光損傷閾值提高了82．4%。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的HF濃度下刻蝕10 min、30 min、60 min、120 min，發(fā)現(xiàn)蝕刻 60 min后石英玻璃的激光損傷閾值提高167．5%。在相同激光能量密度作用下情況下，小能量密度時(shí)HF酸處理石英玻璃表面損傷損傷面積比無酸處理的損傷形貌小，而大能量密度時(shí)HF酸處理石英玻璃表面損傷損傷面積比無酸處理的損傷形貌大。HF酸刻蝕石英玻璃，消除或鈍化了樣品在機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的微裂紋，去除了亞表面缺陷，從而提高石英玻璃的激光誘導(dǎo)損傷閾值，因而HF酸化學(xué)處理對(duì)提高石英玻璃抗激光損傷能力是相當(dāng)有效的。經(jīng)HF酸處理后的石英玻璃表面出現(xiàn)了玻璃加工痕跡，造成表面平滑度降低，需要二次加工才能進(jìn)行使用。參考文獻(xiàn):

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