利用CO₂激光修復(fù)熔石英光學(xué)元件損傷的殘余應(yīng)力控制

王海軍 欒曉雨

摘 要：CO2激光修復(fù)技術(shù)是修復(fù)熔石英光學(xué)元件激光損傷的主要方法，但是在修復(fù)過(guò)程中可能出現(xiàn)燒蝕、氣泡、殘余應(yīng)力、調(diào)制等問(wèn)題，尤其是殘余應(yīng)力問(wèn)題，如果不加以控制極易導(dǎo)致光學(xué)元件再損傷和局部開(kāi)裂。本文主要研究了在利用CO2激光修復(fù)熔石英光學(xué)元件的激光誘導(dǎo)損傷過(guò)程中的殘余應(yīng)力控制。通過(guò)塞納蒙（Senarmont）應(yīng)力檢測(cè)法，測(cè)量應(yīng)力雙折射產(chǎn)生的光程差隨激光退火時(shí)間的變化關(guān)系，發(fā)展了一種臨界損傷尺寸開(kāi)裂法精確測(cè)量激光退火后的殘余應(yīng)力，有效控制了產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，提升了熔石英光學(xué)元件損傷點(diǎn)的抗損傷能力。

關(guān)鍵詞：激光損傷修復(fù) 殘余應(yīng)力 塞納蒙（Senarmont）應(yīng)力檢測(cè)法 熔石英

中圖分類號(hào)：TN24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（b）-0058-02

在高通量三倍頻紫外激光作用下，熔石英光學(xué)元件（包括楔形透鏡、取樣光柵、真空窗口等）的激光誘導(dǎo)損傷問(wèn)題是制約高功率固體激光裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵問(wèn)題之一。激光誘導(dǎo)損傷不僅會(huì)直接導(dǎo)致激光能量的散射損耗并給腔內(nèi)帶來(lái)噴濺污染物，而且更嚴(yán)重的后果是熔石英元件的紫外激光損傷點(diǎn)在后續(xù)激光輻照下其尺寸和深度會(huì)快速增長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了光學(xué)元件的穩(wěn)定性和使用壽命。目前熔石英光學(xué)元件表面的激光誘導(dǎo)損傷仍然是限制高功率激光裝置穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸。由于大口徑的熔石英光學(xué)元件加工周期長(zhǎng)價(jià)格昂貴，頻繁的更換和重新拋光光學(xué)元件需要大量的時(shí)間和巨額的費(fèi)用，這對(duì)于維持高功率固體激光裝置高效經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行顯然是不可取的。

NIF采用的修復(fù)熔石英光學(xué)元件損傷的方法是CO2激光修復(fù)技術(shù)，利用CO2激光加熱熔融的方式，消除損傷點(diǎn)內(nèi)部缺陷、裂紋等易導(dǎo)致?lián)p傷快速增長(zhǎng)的因素，從而達(dá)到抑制其增長(zhǎng)的目的。然而，CO2激光修復(fù)工藝研究固有的缺點(diǎn)是在修復(fù)過(guò)程中可能出現(xiàn)燒蝕、氣泡、殘余應(yīng)力、調(diào)制等問(wèn)題[1]，尤其是殘余應(yīng)力問(wèn)題，如果不加以控制極易導(dǎo)致光學(xué)元件再損傷和局部開(kāi)裂。本文主要研究了在利用CO2激光修復(fù)熔石英光學(xué)元件的激光誘導(dǎo)損傷過(guò)程中，使用激光在線退火的殘余應(yīng)力控制技術(shù)。

1 激光在線退火原理

在利用CO2激光對(duì)熔石英元件的損傷修復(fù)后如果直接關(guān)閉激光，元件驟冷會(huì)導(dǎo)致熔石英結(jié)構(gòu)快速固化，從而形成較大的應(yīng)力、應(yīng)變。研究前期，我們采用高溫爐退火技術(shù)對(duì)形成的殘余應(yīng)力進(jìn)行退火去除，雖然可以有效去除殘余應(yīng)力，但是退火時(shí)會(huì)產(chǎn)生表面污染，需要在退火后進(jìn)行氫氟酸溶液刻蝕。根據(jù)NIF文獻(xiàn)，我們?cè)贑O2激光修復(fù)結(jié)束后增加一段功率緩降的激光輻照，進(jìn)行在線激光退火，材料結(jié)構(gòu)有足夠的時(shí)間進(jìn)行弛豫，應(yīng)力、應(yīng)變得到一定程度釋放，可以達(dá)到改善殘余應(yīng)力的目的[2]。由于是在線激光退火，減少了高溫爐退火和氫氟酸溶液刻蝕兩道工序，因此極大地提高了工作效率。

2 塞納蒙（Senarmont）法應(yīng)力檢測(cè)探索激光退火規(guī)律

圖1是CO2激光損傷修復(fù)過(guò)程形變示意圖，修復(fù)損傷點(diǎn)時(shí)局域溫度高于玻璃轉(zhuǎn)變溫度，損傷材料熔融流動(dòng)去除裂紋，然而作用結(jié)束后溫度急速降低，形成塑性變形區(qū)，產(chǎn)生殘余應(yīng)力[3]。

修復(fù)點(diǎn)殘余應(yīng)力分布可以由光彈性法進(jìn)行測(cè)量[1]，圖2 （a）所示是典型的修復(fù)點(diǎn)應(yīng)力偏光圖，由于損傷修復(fù)熔融區(qū)域的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，其分布具有角對(duì)稱性，可以觀察到最大的相位延遲位于修復(fù)點(diǎn)的周圍，如圖2（a）中紅圈標(biāo)注區(qū)域，此處應(yīng)力光程差的大小直接與殘余應(yīng)力的值正相關(guān)。通過(guò)塞納蒙（Senarmont）法測(cè)量這個(gè)位置的應(yīng)力光程差的值，可以有效判斷退火參數(shù)是否有效。圖2（b）所示是選定的一組激光退火參數(shù)改善殘余應(yīng)力隨時(shí)間變化的情況，可以看出作用時(shí)間超過(guò)一定值后應(yīng)力光程差趨于穩(wěn)定。利用這種方法，通過(guò)一系列的參數(shù)研究，成功掌握了激光退火的規(guī)律，并優(yōu)化出最佳激光退火參數(shù)。

3 臨界損傷尺寸開(kāi)裂法精確測(cè)量殘余應(yīng)力

塞納蒙（Senarmont）應(yīng)力檢測(cè)法只能測(cè)量應(yīng)力雙折射產(chǎn)生的光程差，對(duì)CO2激光修復(fù)點(diǎn)，由于應(yīng)力分布不均勻以及應(yīng)力存在深度和應(yīng)力在深度方向的分布都無(wú)法測(cè)量，因而，無(wú)法通過(guò)光程差求出應(yīng)力的大小，只能定性給出殘余應(yīng)力的變化，不能定量給出殘余應(yīng)力的大小。為了精確表征激光退火后殘余應(yīng)力的大小，我們發(fā)展了一種臨界損傷尺寸開(kāi)裂法精確測(cè)量激光退火后的殘余應(yīng)力。這種方法在光程差最大處引入損傷點(diǎn)，當(dāng)其尺寸增長(zhǎng)到某一值時(shí)，殘余應(yīng)力就會(huì)釋放導(dǎo)致?lián)p傷點(diǎn)嚴(yán)重開(kāi)裂，如圖3所示。通過(guò)在修復(fù)點(diǎn)的光程差最大處人為引入一系列一定大小的損傷點(diǎn)，觀察是否有失穩(wěn)進(jìn)一步開(kāi)裂的情況，可以精確地推導(dǎo)出局域的殘余應(yīng)力大小。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)引起開(kāi)裂的損傷尺寸值，根據(jù)損傷點(diǎn)尺寸與臨界應(yīng)力的關(guān)系，推導(dǎo)出的修復(fù)點(diǎn)不退火和激光退火后的殘余應(yīng)力值的大小如表1所示，可以看出激光退火后殘余應(yīng)力改善明顯，降低到17MPa以下，小于NIF提出的25MPa。上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明CO2激光修復(fù)技術(shù)在光學(xué)元件的循環(huán)使用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)殘余應(yīng)力釋放損傷點(diǎn)失穩(wěn)擴(kuò)展的情況。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)CO2激光修復(fù)技術(shù)的系統(tǒng)研究，掌握了激光退火規(guī)律，利用激光在線退火技術(shù)，有效控制了產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，并且在退火過(guò)程中無(wú)污染，有效地提升了熔石英光學(xué)元件損傷點(diǎn)的抗損傷能力。對(duì)于維持高功率固體激光裝置高效經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的支撐。

參考文獻(xiàn)

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[2] C.C.Zhang，W.Liao，L.J.Zhang，et al.Investigation of Control of Residual Stress Induced by CO2 Laser-Based Damage Mitigation of Fused Silica Optics[J].Advances in Condensed Matter Physics，2014（2014）：302-306.

[3] W.Dai，X.Xiang，Y.Jiang，et al.Surface evolution and laser damage resistance of CO2 laser irradiated area of fused silica[J].Optics and Lasers in Engineering，2011，49（2）：273-280.