氧碘化學(xué)激光器腔鏡表面缺陷的觀察與分析

王 剛，陳 真，李艷娜，公發(fā)全

(1．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2．西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024；3．中國科學(xué)院 大連化學(xué)物理研究所，遼寧 大連 116023)

氧碘化學(xué)激光器腔鏡表面缺陷的觀察與分析

王 剛1,2*，陳 真2，李艷娜2，公發(fā)全3

(1．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2．西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024；3．中國科學(xué)院 大連化學(xué)物理研究所，遼寧 大連 116023)

為了明確氧碘化學(xué)激光器腔鏡損傷的原因，對(duì)腔鏡表面的缺陷進(jìn)行了研究。利用掃描探針顯微鏡觀察了激光器腔鏡表面缺陷，分析了腔鏡表面微觀形貌，討論了常見缺陷的形狀及成因。然后，建立了簡化的帶污染物腔鏡的模型。利用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)環(huán)形光束輻照腔鏡進(jìn)行了仿真計(jì)算。最后，給出了缺陷大小、功率密度和腔鏡表面溫度的關(guān)系，分析了吸附層對(duì)腔鏡熔融損傷的影響。計(jì)算結(jié)果表明：腔鏡表面污染物大小不變時(shí)，激光輻照的功率密度越大，溫度增長越快，薄膜表面越容易出現(xiàn)熔融損傷；腔鏡表面污染物半徑達(dá)到2.3 mm時(shí)，腔鏡薄膜即可出現(xiàn)熔融損傷。另外，吸附層吸收系數(shù)增加1%，腔鏡最高溫度增加約210 K。本文所得結(jié)論可為分析腔鏡損傷原因和制定腔鏡更換依據(jù)提供參考。

氧碘化學(xué)激光器；腔鏡；表面缺陷；腔鏡污染，熔融損傷； 激光輻照

1 引 言

氧碘化學(xué)激光器具有波長短、效率高、光束質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)，在軍事、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。氧碘化學(xué)激光器通過氯氣和堿性過氧化氫溶液反應(yīng)產(chǎn)生的電子激發(fā)態(tài)氧分子與碘原子近共振傳能，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)碘原子，在光學(xué)諧振腔中實(shí)現(xiàn)受激輻射[1]。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于光腔處于增益區(qū)兩端，受增益介質(zhì)、反應(yīng)物、水汽等物質(zhì)流動(dòng)的影響，腔鏡表面存在被污染的風(fēng)險(xiǎn)，不可避免地會(huì)存在一些缺陷。在高能激光的輻照下，這些缺陷會(huì)對(duì)腔鏡造成一定的影響，甚至造成腔鏡損傷，影響激光器出射激光的功率和光束質(zhì)量[2,3]。在缺陷誘導(dǎo)光學(xué)元件損傷方面，國內(nèi)外學(xué)者已開展大量的研究，但是對(duì)于氧碘化學(xué)激光器中腔鏡表面缺陷及其對(duì)腔鏡損傷的研究目前還鮮有報(bào)道。黃偉等根據(jù)薄膜界面吸收系數(shù)的近似計(jì)算式對(duì)環(huán)狀強(qiáng)激光輻照下光學(xué)薄膜元件的溫度場以及損傷機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析[4]。周麗丹等針對(duì)神光原型裝置助推放大級(jí)分析了光學(xué)元件缺陷分布的統(tǒng)計(jì)參量與光束近場質(zhì)量的關(guān)系[5]。苗心向采用有限元軟件模擬分析了激光輻照過程中熔石英表面的溫度場和應(yīng)力場分布，通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)薄膜狀、顆粒狀污染物造成的損傷斑形貌，得出污染后的熔石英樣品的損傷以熱燒蝕作用為主[6]。王艷茹等采用格林函數(shù)法理論上求解了有限尺寸高反射光學(xué)元件在激光作用下的熱傳導(dǎo)方程，獲得了樣品內(nèi)的溫度場分布[7]。張梁等在入射激光功率密度相同的條件下，定量地描繪了長脈沖激光輻照硅材料的溫度分布，以及前表面的溫度歷史，并對(duì)氣化現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬[8]。

本文選取氧碘化學(xué)激光器折疊腔中的45°反射鏡為研究對(duì)象，通過掃描探針顯微鏡對(duì)激光器腔鏡表面的缺陷進(jìn)行了觀察，分析了腔鏡表面缺陷的微觀形貌，并通過模擬計(jì)算給出了缺陷大小、功率密度和腔鏡表面溫度的關(guān)系，同時(shí)分析了吸附層對(duì)腔鏡損傷的影響。模擬和分析的結(jié)果可為氧碘激光器中腔鏡損傷判據(jù)的制定提供支持。

2 腔鏡表面觀察

由于所選腔鏡為45°反射鏡，體積較大，本文使用Veeco掃描探針顯微鏡(SPM)對(duì)反射鏡表面進(jìn)行觀察。顯微鏡型號(hào)為DI3100，掃描范圍100 μm×100 μm，非線性不均勻性小于1.5%，噪聲小于0.05 nm。實(shí)驗(yàn)過程為：先通過儀器自帶的光學(xué)顯微鏡對(duì)腔鏡表面進(jìn)行觀察，選取形狀較為典型的“點(diǎn)子”進(jìn)行標(biāo)記，然后使用掃描探針顯微鏡進(jìn)行三維掃描。通過實(shí)驗(yàn)觀察得出，腔鏡表面主要存在3種不同形貌的缺陷、圓形黑點(diǎn)，黑色線條及肉眼可見的明顯“點(diǎn)子”缺陷。下面將詳細(xì)分析3種缺陷。

(1)圓形黑點(diǎn)

通過三維形貌掃描分析發(fā)現(xiàn)，圓形黑點(diǎn)實(shí)質(zhì)為膜層表面的污染物，在污染物周圍具有明顯的薄膜斷裂的裂紋，其在圖像上顯示為平頂凸起是因?yàn)槠涓叨纫呀?jīng)超過了原子力顯微鏡的掃描范圍。該缺陷大小約為26 μm。初步分析認(rèn)為此類型黑點(diǎn)應(yīng)該是鍍膜后異物的侵入造成的，并且由于該污染物的存在，導(dǎo)致反射鏡薄膜出現(xiàn)了永久性的斷裂損傷。

(2)黑色線條

通過三維形貌掃描結(jié)果知，該缺陷長約100 μm，寬約36 μm。對(duì)該線條狀點(diǎn)子進(jìn)行高度分析發(fā)現(xiàn)其由凸起的污染物組成，且在凸起周圍存在少量的凹坑，高度差約為0.6 μm。

圖2 “條狀點(diǎn)子”觀察圖像Fig.2 Photographs of “black line”

(3)肉眼可見的明顯“點(diǎn)子”

由于該“點(diǎn)子”較大，直徑約為600 μm，整體形貌無法使用原子力顯微鏡觀察，這里選取圖3(彩圖見期刊電子版)中紅色方框標(biāo)注的部分作為分析對(duì)象觀測(cè)其三維形貌。

圖3 “大點(diǎn)子”觀察圖像Fig.3 Photographs of “l(fā)arge point”

有橫向條紋的部分是反射鏡正常的薄膜部分，條紋為基底材料打磨留下的，右上角凹凸不平的地方是雜質(zhì)，說明該“大點(diǎn)子”中間黑色部分為污染物，周圍褐色部分為附著的一層未知材料的薄膜，其中污染物的高度約為1.8 μm，褐色薄膜厚度約為0.45 μm。初步分析認(rèn)為，該“大點(diǎn)子”是由污染物燒灼后產(chǎn)生的，膜系局部受熱后產(chǎn)生不完全燒蝕和變形，周圍形成褐色薄膜是污染物吸收熱量融化的結(jié)果，也可能是多次燒蝕引起膜層產(chǎn)變形成的突起。

通過實(shí)驗(yàn)觀察知，激光器腔鏡表面的損傷或缺陷主要是由污染造成的，這與化學(xué)激光器容易受腔內(nèi)物質(zhì)污染具有一定的關(guān)系。受反射鏡體積和實(shí)驗(yàn)條件的影響，無法繼續(xù)分析表面污染物的組成成分。根據(jù)激光器的運(yùn)行情況可推測(cè)，腔鏡表面容易受到碘顆粒、氫氧化鉀溶液等物質(zhì)的污染，所以腔鏡表面的污染物應(yīng)該是由碘、鉀和膜層材料等組成的混合物。這些污染物長期存在于腔鏡表面，并隨著激光器出光次數(shù)的增加，數(shù)量和形態(tài)上有所變化。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)知，只有當(dāng)缺陷達(dá)到一定大小或者缺陷被較高能量的激光輻照時(shí)，鏡子才會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷。所以，本文將重點(diǎn)分析污染物大小、激光功率密度對(duì)鏡子損傷的影響。

3 腔鏡溫度模擬計(jì)算

氧碘激光器腔鏡采用硅作為基體，表面鍍有高反射率薄膜，薄膜為多層介質(zhì)膜，選用Ta2O5和SiO2分別作為高、低折射率膜料，膜層厚度約為10 μm。對(duì)常用的1/4膜系高反膜的電場分布研究表明，空氣/膜層界面，以及膜層/基底界面處的場強(qiáng)為零，膜層中場強(qiáng)最大值都分布在高低折射率材料的交界面[9]。反射膜的表面場強(qiáng)出現(xiàn)在第一層膜與第二層膜的界面上。當(dāng)污染物附著在反射鏡表面時(shí)，污染物成為吸收激光能量的熱源。如果吸收的能量足夠多，則會(huì)在反射鏡表面造成較大的溫升，導(dǎo)致薄膜表面融化，出現(xiàn)熔融損傷，進(jìn)一步增加吸收。在連續(xù)出光的情況下，可能導(dǎo)致反射鏡元件出現(xiàn)嚴(yán)重的燒蝕坑，影響正常使用。實(shí)際損傷情況如圖4所示，在圖中可觀察到明顯的燒蝕坑和坑底部的熔融材料。

圖4 鏡子損傷圖像Fig.4 Damage morphology of mirror

圖5 激光輻照模型Fig.5 Model of mirror irradiated by laser

由于污染物的影響主要發(fā)生在膜層表面，所以將反射鏡的模型簡化為由一層薄膜和基底組成，在薄膜表面設(shè)強(qiáng)吸收區(qū)作為帶污染物的腔鏡模型。當(dāng)強(qiáng)吸收區(qū)為圓點(diǎn)形式時(shí)，可根據(jù)第2節(jié)分析模擬上述觀察到的污染物對(duì)鏡子的影響。受鍍膜工藝、膜層設(shè)計(jì)等因素的影響，不容易獲得準(zhǔn)確的Ta2O5、SiO2膜層的熱物性參數(shù)[10]，故該模型中將薄膜材料簡單設(shè)定為SiO2，厚度取10 μm，熱物性參數(shù)如參考文獻(xiàn)[9]中所述，基體材料為硅，厚度與腔鏡一致。如圖5所示。

材料熱物性參數(shù)如表1所示。

表1 材料熱物性參數(shù)

利用COMSOL multyphsics軟件建立上述模型的受激光輻照的腔鏡模型，腔鏡大小取10 mm×10 mm，厚度與腔鏡一致，雜質(zhì)處于腔鏡中心位置，設(shè)定為圓形，直徑取1 mm，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果圖6所示。

圖6 腔鏡網(wǎng)格劃分Fig.6 Meshing grid of cavity mirror

邊界條件設(shè)置為：上表面邊界設(shè)置為熱絕緣，下表面和四周邊界設(shè)為連續(xù)邊界，材料選擇為基底材料，其中上表面考慮輻射熱損失。選擇邊界熱源模擬激光照射，取腔鏡吸收率為0.05%，雜質(zhì)處吸收率為90%，根據(jù)激光輻照功率密度計(jì)算腔鏡表面的能流密度作為仿真輸入。

考慮沒有缺陷的情況，鏡子整體被環(huán)形光束照射，計(jì)算得到鏡子縱剖面在照射5s后的溫度分布如圖7所示。

圖7 截面溫度分布圖Fig.7 Temperature distribution of section plane

上述計(jì)算結(jié)果顯示，表面最大溫度為295.29 K，相比初始溫度293.15 K，上升了2.14 K，與文獻(xiàn)[11]中的結(jié)果一致，初步驗(yàn)證了模型計(jì)算的正確性。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 不同污染物大小對(duì)表面溫度的影響

同樣對(duì)上述模型進(jìn)行分析，雜質(zhì)大小分別取為0.5,0.8,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 mm，得到雜質(zhì)大小和薄膜、基底最高溫度的關(guān)系，如圖8、圖9所示。

圖8 薄膜最高溫度隨污染物大小的變化Fig.8 Top temperature of thin film varies with defect sizes

圖9 基底最高溫度隨污染物大小的變化Fig.9 Top temperature of substrate varies with defect sizes

從圖中可以看出，雜質(zhì)導(dǎo)致的溫度上升與雜質(zhì)大小近似呈線性關(guān)系。根據(jù)計(jì)算結(jié)果做線性擬合，得到薄膜最高溫度與污染物大小的關(guān)系為：

Tf=476.78x+652.90,

(1)

基底最高溫度與污染物大小的關(guān)系為：

Ts=473.23x+411.55,

(2)

式中，x為污染物大小，Tf為薄膜的最高溫度，Ts為基底的最高溫度。在式(1)、(2)中代入硅、二氧化硅的熔點(diǎn)，計(jì)算得到：雜質(zhì)半徑在2.3 mm時(shí)，薄膜溫度達(dá)到熔點(diǎn)，會(huì)出現(xiàn)熔融損傷；雜質(zhì)半徑為2.7 mm時(shí)，硅基底達(dá)到熔點(diǎn)。這與實(shí)際試驗(yàn)中觀察到的燒蝕坑都至少在5 mm以上的情況相符合。

4.2 不同功率密度與表面溫度的關(guān)系

對(duì)于大小分別為1、2、3 mm的雜質(zhì),功率密度取1 000～5 000 W/cm2，計(jì)算得到幾種雜質(zhì)尺寸下，最大溫度隨功率密度的變化，如圖10所示。

圖10 不同大小污染物表面最高溫度隨功率的變化Fig.10 Top temperature varies with laser power density at different defect sizes

從圖中可以看出，最大溫度與功率密度呈線性關(guān)系，功率越大，斜率越大，也就是說造成熔融損傷所需的雜質(zhì)越小，即損傷閾值降低。做線性擬合，對(duì)于1 mm大小的雜質(zhì)來講，擬合得到最大的溫度與輸入功率的關(guān)系式為：

Tmax=0.157P+292.94 .

(3)

4.3 吸附層對(duì)表面溫度的影響

在激光器運(yùn)行過程中，受污染、揮發(fā)等因素影響，鏡子表面可能會(huì)存在一層吸附層。吸附層是指在薄膜表面形成的一層吸附熱量的薄層，其將對(duì)薄膜溫升產(chǎn)生影響。經(jīng)過長時(shí)間使用后，薄膜的反射率下降，其也可以看作是一層吸附層。所以，這里考慮吸附層吸收熱量的影響，吸收系數(shù)分別取1%、2%進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果如圖11、圖12所示。

從圖中可以看出，存在吸附層時(shí)，元件整體的溫度將顯著升高，進(jìn)而導(dǎo)致雜質(zhì)處出現(xiàn)更高的溫度。吸附層吸收系數(shù)為1%時(shí)，薄膜、基底的最高溫度增加約為210 K，吸收系數(shù)為2%時(shí)，薄膜、基底的最高溫度增加約為420 K，是前者的兩倍。說明元件表面存在油污、灰塵等大面積吸附層時(shí)，光學(xué)元更容易受損傷。

圖11 吸附層吸收系數(shù)為0.01時(shí)對(duì)腔鏡溫度的影響Fig.11 Influence of absorption coefficient 0.01 on temperature of mirror

圖12 吸附層吸收系數(shù)0.02時(shí)對(duì)腔鏡溫度的影響 Fig.12 Influence of absorption coefficient 0.02 on temperature of mirror

5 結(jié) 論

本文使用掃描探針顯微鏡對(duì)氧碘激光器腔鏡表面的缺陷進(jìn)行了觀察，經(jīng)分析得知，腔鏡表面常見缺陷多是由污染物造成的。通過COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明：污染物導(dǎo)致的溫度上升與污染物大小近似呈線性關(guān)系，腔鏡表面雜質(zhì)半徑為2.3 mm時(shí)，腔鏡薄膜將可能出現(xiàn)熔融損傷；在污染物大小一定的情況下，激光輻照的功率密度越大，溫度增長越快，薄膜表面越容易出現(xiàn)熔融損傷，此時(shí)鏡子表面存在大面積污染時(shí)更容易造成腔鏡損傷。

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文無法獲取準(zhǔn)確的薄膜熱物性參數(shù)，建立的模型相對(duì)簡單，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相比較為保守，后期可根據(jù)薄膜實(shí)際情況開展進(jìn)一步研究。本文所得結(jié)論可為氧碘激光器腔鏡的更換維護(hù)以及損傷的分析提供支持。

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Observation and analysis of surface defects on cavity mirror of chemical oxygen-iodine laser

WANG Gang1,2*, CHEN Zhen2, LI Yan-na2, GONG Fa-quan3

(1.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;2.NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi′an710024,China;3.DalianInstituteofChemicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Dalian116023,China) *Correspondingauthor,E-mail:linkwg@126.com

To figure out the causes of cavity mirror defects in a Chemical Oxygen-iodine Laser (COIL), the surface defects on the cavity mirror were studied. A Scanning Probe Microscopy (SPM) was used to observe the surface defects on the cavity mirror, and its micro topography was analyzed. The shapes of the surface defects and the reasons why the defects appeared were discussed. Then, a simplified model of cavity mirror with defects was established. The ring beam irradiating the cavity mirror was simulated by using COMSOL Multiphysics. The relationship between the defect size, power density and the surface temperature of the cavity mirror was given and the influence of an adsorption layer on the melting damage of the cavity mirror was analyzed. The calculated results show that when the defect area is a constant, the larger the laser radiation power is and the faster the temperature grows, the more the melting damage of film surface is. Moreover, the mirror film has the possibility of melting damage at the defect radius of 2.3 mm. The absorption coefficient of the absorption layer increases by 1%, then the maximum temperature of the mirror increases about 210 K. The conclusion provides a reference for the analysis of the causes of cavity mirror damage and the replacement of the cavity mirror in the COIL system.

Chemical Oxygen-iodine Laser (COIL); cavity mirror; surface defect; melting damage; laser radiation

2016-10-27；

2016-11-17.

國防預(yù)研資金資助項(xiàng)目(No.201521001)

1004-924X(2016)12-2948-08

TN248.5；O484.4

:Adoi:10.3788/OPE.20162412.2948

王 剛(1985-)，男，山西聞喜人，博士研究生，工程師，2007年于北京大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2007年于西北核技術(shù)研究所獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)為中國科學(xué)院大學(xué)博士研究生，主要從事激光技術(shù)及應(yīng)用方面的研究。E-mail : linkwg@126.com

陳 真(1988-)，男，河北正定人，碩士，工程師，2011年、2016年于河北工業(yè)大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，主要從事激光技術(shù)及應(yīng)用方面的研究。E-mail:776960091@qq.com