一种伽马射线辐照增强化学膜提升激光损伤阈值的方法技术

本发明专利技术公开了伽马射线辐照增强化学膜提升激光损伤阈值的方法，针对化学膜力学性能差的问题和现有技术的局限性，本发明专利技术的技术方案是：首先对化学膜样品进行不同剂量的伽马射线辐照；然后测得不同剂量辐照下化学膜的硬度和激光损伤阈值，从而获得辐照剂量

【技术实现步骤摘要】
一种伽马射线辐照增强化学膜提升激光损伤阈值的方法

：
[0001]本专利技术属于材料表面改性
，具体涉及一种伽马射线辐照增强化学膜提升激光损伤阈值的方法。

技术介绍
：
[0002]惯性约束聚变(ICF)是实现清洁、安全、有效、可持续能源的途径之一，它是利用强激光加热核燃料产生高温高压等离子体以实现核聚变反应而释放出能量，已引起了世界各国的广泛关注。高功率固体激光装置，如美国国家点火装置(National Ignition Facility,NIF)、法国兆焦耳点火装置(Laser Megajoule,LMJ)及中国的神光III装置(SG
‑
III)等，包含大量的光学元件，如光栅、窗口、屏蔽片、透镜、放大片、偏振片、频率转换晶体，用来控制激光束以获得高能量激光，从而引发聚变反应。然而，这些光学元件的反射率高达～8％，激光经过光路上数千个光学元件后，将严重地降低传输到靶室的激光总能量。为了减少传输过程中的反射损失，光学元件需要在其表面镀制增透膜以增加激光的能量传输效率。与物理增透膜相比，化学增透膜具有制备工艺简单、低成本、容易实现大面积制备和大规模生产。更为重要的是，化学增透膜由纳米颗粒堆砌而成，其独特的疏松结构有利于高能激光能量的驰豫，使其具有优异的抗激光损伤性能。因此，化学增透膜沉积在光学元件表面被广泛地应用于高功率激光装置中。
[0003]在高功率激光装置中，化学增透膜经多发次激光辐照下出现损伤和脱落等现象，严重地影响了光学元件的抗激光损伤性能和激光装置的负载能力，已成为制约惯性约束聚变发展的重要瓶颈之一。化学膜的激光损伤与材料的本征缺陷和环境污染(如有机分子态污染)密切相关。迄今为止，为了提升化学膜的抗激光损伤性能，一是通过改进化学膜的制备工艺，降低其自身的缺陷；二是通过改善化学膜在污染环境下的稳定性，使其具有抗污染性能，减少对有机污染物的吸附。因此，极大地降低了化学膜对紫外激光能量的吸收，使得其激光损伤阈值有了大幅提升，但是，仍然低于光学元件的激光损伤阈值。目前为止，很少有人从力学的角度来改善化学膜的抗激光损伤性能。化学膜具有疏松的结构，化学键较弱，使其力学性能差，但高能激光能量的驰豫又要求薄膜具有疏松的内部结构，这是一矛盾的需求。美国在开展惯性约束聚变研究的过程中发现，原有1.8MJ激光输出能量尚不能实现预期的聚变驱动目标，建议将其提升至2.6～3.0MJ，这对化学膜的抗激光损伤能力提出了更高的要求。提升化学膜力学性能可使其在吸收激光而产生的等离子体压力下不易破裂。因此，制备具有优异抗激光损伤能力且同时具备高力学强度的化学增透膜，这对于激光装置的高通量输出和稳定运行具有重要的经济价值和工程意义。
[0004]目前国内外报道中，为了提升化学增透膜的力学性能，主要采用酸碱催化、硅烷偶联剂交联以及热退火处理等方法，虽然这些方法能够在一定程度上提升化学膜的力学性能，然而，效果非常有限。目前，现有的技术远不能达到显著提升化学膜机械力学性能的要求。因此，迫切需要寻找一种能够有效地提升化学膜力学性能和抗激光损伤能力的方法。伽马射线辐照可以促使薄膜材料内部缺陷迁移、聚集和复合，同时有利于化学基团的进一步
反应，从而显著地提升化学膜的力学性能和抗激光损伤性能。然而，辐照剂量对于化学膜的上述性能有着重要的影响，若辐照剂量过大，也可能导致化学膜的化学键断裂，形成各类结构缺陷，增强对紫外激光的吸收，降低其激光损伤阈值。对于化学膜的伽马射线辐照，最佳辐照剂量的选择尤为重要，由于化学增透膜的多样性，最佳辐照剂量的确定并非易事，因而，本专利技术提出一种伽马射线辐照增强化学膜提升激光损伤阈值的普适性方法。

技术实现思路
：
[0005]针对化学膜力学性能差的问题和现有技术的局限性，本专利技术提供一种伽马射线辐照增强化学膜提升激光损伤阈值的方法，该方法可以实现显著地提升化学膜的力学性能和抗激光损伤性能的目的。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：提供一种伽马射线辐照增强化学膜提升激光损伤阈值的方法，包括以下步骤：
[0007](1)针对化学膜样品，将其分组装入洁净的石英管中，并进行样品固定和熔融密封处理，采用
60
Co伽马辐射源对封装好的样品进行不同剂量的伽马射线辐照，辐照剂量为10～1000kGy，辐照剂量间隔为10～500kGy，剂量率为1～10kGy/h。
[0008](2)针对(1)中不同剂量伽马射线辐照后的化学膜样品，采用纳米压痕仪测量化学膜的硬度，压入深度需小于薄膜的厚度，每个样品随机选取10个以上的位置进行测试，其平均值作为该辐照剂量下化学膜的最终硬度，基于不同剂量下化学膜的硬度，建立化学膜样品的辐照剂量
‑
硬度值关系曲线。
[0009](3)针对(1)中不同剂量伽马射线辐照后的化学膜样品，采用激光器测试化学膜的激光损伤阈值，激光波长为355nm，脉宽为6.3ns，每个样品随机选取20个以上的位置进行测试，其平均值作为该辐照剂量下化学膜的最终结果，基于不同剂量下化学膜的激光损伤阈值，建立化学膜样品的辐照剂量
‑
激光损伤阈值关系曲线。
[0010](4)对(2)和(3)获得的辐照剂量
‑
硬度关系曲线和辐照剂量
‑
激光损伤阈值曲线进行拟合，拟合曲线中，硬度和激光损伤阈值的最大值对应的辐照剂量即为该化学膜所需的最佳辐照剂量。
[0011](5)针对与(1)中同工艺的化学膜，将其装入洁净的石英管中，并进行样品固定和熔融密封处理，基于(4)中获得的最佳辐照剂量，采用
60
Co伽马辐射源对封装好的同工艺化学膜进行伽马射线辐照硬化处理，从而获得力学性能和抗激光损伤性能显著提升的化学膜。步骤(1)～(5)适用于不同工艺制备的化学膜、不同厚度的化学膜、不同材料的化学膜以及不同材质的基底，还包括单层膜、多层膜以及复合膜。
[0012]本专利技术的有益效果是：
[0013]伽马射线辐照可以促使薄膜材料内部缺陷迁移、聚集和复合，同时有利于化学基团的进一步反应，从而显著地提升化学膜的力学性能和抗激光损伤性能，有益于延长光学元件的使用寿命和提升高功率激光装置的负载能力。
[0014]本专利技术可以均匀地提升不同口径化学膜的力学性能和抗激光损伤性能，薄膜的制备工艺、薄膜的厚度、薄膜的材质以及基底的类型不受限制，同时还适用于单层膜、多层膜及复合膜。
附图说明：
[0015]图1为本专利技术的流程示意图；
[0016]图2为本专利技术实施例中辐照剂量
‑
硬度关系曲线；
[0017]图3为本专利技术实施例中辐照剂量
‑
激光损伤阈值关系曲线；
[0018]图4为本专利技术实施例中伽马射线辐照前后薄膜的载荷
‑
位移曲线；
[0019]图5为本专利技术实施例中伽马射线辐照前后薄膜的硬度和弹性模量；
[0020]图6为本专利技术实施例中伽马射线辐照前后薄膜的激光损伤阈值。
具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种伽马射线辐照增强化学膜提升激光损伤阈值的方法，其特征在于，包括有以下步骤：S1、将化学膜样品分组装入洁净的石英管中，并进行样品固定和熔融密封处理，采用
60
Co伽马辐射源对封装好的样品进行不同剂量的伽马射线辐照；S2、对步骤S1中不同剂量伽马射线辐照后的化学膜样品，采用纳米压痕仪测量化学膜的硬度，压入深度需小于薄膜的厚度，每个样品随机选取10个以上的位置进行测试，其平均值作为该辐照剂量下化学膜的最终硬度，基于不同剂量下化学膜的硬度，建立化学膜样品的辐照剂量
‑
硬度值关系曲线；S3、对步骤S1中不同剂量伽马射线辐照后的化学膜样品，采用激光器测试化学膜的激光损伤阈值，激光波长为355nm，脉宽为6.3ns，每个样品随机选取20个以上的位置进行测试，其平均值作为该辐照剂量下化学膜的最终结果，基于不同剂量下化学膜的激光损伤阈值，建立化学膜样品的辐照剂量
‑
激光损伤阈...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎波，向霞，祖小涛，邓洪祥，孙文丰，葛传鹏，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：