一种熔石英光学损伤元件的修复方法技术

一种熔石英光学损伤元件的修复方法，属于光学材料与光学元件技术领域，具体涉及一种熔石英光学元件激光损伤的修复处理方法。先采用红外二氧化碳激光对熔石英光学损伤元件的损伤部分进行激光熔融修复；再将激光熔融修复后的熔石英光学损伤元件进行退火处理。本发明专利技术可对熔石英光学损伤元件进行完全修复，并消除激光熔融修复过程带来的残余应力。经本发明专利技术修复后的熔石英光学元件可回复到理想熔石英光学元件状态；同时，本发明专利技术还可抑制熔石英光学元件损伤点的增长。本发明专利技术可延长熔石英光学元件的使用寿命，大大降低运行成本，具有工艺可控性强、重复性高且性能稳定的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学材料与光学元件
，具体涉及一种熔石英光学元件激光损伤的修复处理方法。
技术介绍
熔石英是大型高功率激光系统中应用最普遍的光学材料，熔石英光学材料在激光 系统中广泛用于制备透镜、窗口和屏蔽片等光学元件。在强激光作用下，熔石英光学元件容 易损伤，当损伤点面积总和超过一定比例后，熔石英光学元件将视为彻底损坏而不能继续 使用。美国国家点火装置(NIF)中当熔石英光学元件损伤面积所占比例大于3%时，就将停 止使用该熔石英光学元件。若将熔石英光学元件上的损伤点进行修复并达到抑制损伤增长 的目的，将延长元件的使用寿命，大大降低运行成本，因此，损伤修复或抑制损伤增长具有 重要的工程意义和经济价值。 目前国内外报道的熔石英光学元件的损伤修复或抑制损伤增长的方法主要是二 氧化碳激光修复、氢氟酸刻蚀、等离子体刻蚀或微火焰加工。其中等离子体刻蚀和微火焰加 工方法在处理过程中要通入四氟化碳气体，这样会污染光学元件；氢氟酸刻蚀可钝化缺陷 的内部结构从而在一定程度上修复损伤或抑制损伤增长，然而在钝化缺陷的同时增加了光 学元件的整体粗糙度，严重时会降低元件激光损伤阈值；二氧化碳激光修复是抑制损伤增 长最佳方法，但是由于熔石英材料的导热系数低，元件修复区域的局部高温很可能产生较 大的残余应力，这将导致元件在后续使用过程中裂开，从而影响激光系统正常运行，并造成 巨大的经济损失。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种简单方便、成本低廉的熔石英光学损伤元件的修复方 法。该方法针对同一熔石英光学损伤元件可进行多次修复，经该方法修复后的熔石英光学 损伤元件所能承受的激光通量和寿命(发次)均可回复到理想熔石英光学元件状态，从而 可极大地延长熔石英光学损伤元件的使用寿命。 本专利技术技术方案如下 —种熔石英光学损伤元件的修复方法，如图1所示，包括以下步骤 步骤1 :采用红外二氧化碳激光对熔石英光学损伤元件的损伤部分进行激光熔融修复。具体过程为采用红外二氧化碳激光对熔石英光学损伤元件的损伤部分进行脉冲式辐照，直到熔石英光学损伤元件的损伤部分完全熔融，然后自然冷却。 步骤2 :对经步骤1处理后的熔石英光学损伤元件进行退火处理。具体退火处理 过程为首先将经步骤1处理后的熔石英光学损伤元件放入石英保护盒中，在氧气氛条件 下将熔石英光学损伤元件以10 20度/分钟的升温速度加热至600 900度，然后保温 3 10小时，最后以10 40度/分钟的降温速度冷却至室温。 上述方案中，步骤1中所采用的红外二氧化碳激光的频率为100 20000赫兹，功率为5 60瓦；单次脉冲式辐照时间为110毫秒 6秒。对于需要修复的熔石英光学损伤 元件而言，所采用的激光功率与脉冲辐照时间有如下关系功率越大，辐照时间应越短；反 之，亦然。 需要说明的是 1、在熔石英光学损伤元件的修复过程中，为了去除熔石英光学损伤元件表面的 Si02碎片以及污染物，可在步骤1之前增加对熔石英光学损伤元件的清洗步骤。具体清洗 步骤为首先采用去离子水将对熔石英光学损伤元件清洗干净，然后采用无水乙醇脱水，最 后采用紫外激光对熔石英光学损伤元件表面进行光栅式扫描清洗，清洗所用紫外激光能量 应低于熔石英光学损伤元件的损伤增长阈值。 2、在步骤1对熔石英光学损伤元件的损伤部分进行激光熔融修复时，熔石英光学 损伤元件的损伤部分应当完全熔融，但最好不要产生气化现象；或即使有气化现象产生，但 应当能够控制气化产物不会冷凝在元件表面。 3、步骤2退火处理的具体温度和时间应视步骤1激光熔融修复后熔石英光学元件 残余应力的大小而定，通常，残余应力越小，需要的退火温度也越小；残余应力越大，需要的 退火温度也越高。同时，退火温度与保温时间也有一定的关系越高的退火温度，需要的保 温时间越短；越低的退火温度，需要的保温时间越长。无论如何，退火温度都不能超过熔石 英材料的软化温度。 4、在步骤2进行退火处理后，为了去除修复后的熔石英光学元件在修复过程中可 能带来的表面污染，宜采用浓度为1% 20%的氢氟酸溶液对修复后的熔石英光学元件进 行1 15分钟的刻蚀处理，刻蚀完毕后再采用去离子水清洗和无水乙醇脱水处理。 本专利技术的实质是采用二氧化碳激光修复和高温退火相结合的方法，对熔石英光 学元件损伤点进行修复，并对残余应力进行消除，损伤点处理后所能承受激光通量和寿命 (发次)均可回复到理想熔石英光学元件状态。 本专利技术的有益效果是 采用本专利技术提供的熔石英光学损伤元件的修复方法可对熔石英光学损伤元件进 行完全修复，并消除激光熔融修复过程带来的残余应力。经本专利技术修复后的熔石英光学元 件可回复到理想熔石英光学元件状态(即修复后的熔石英光学元件的损伤阈值可达到理 想熔石英光学元件的损伤阈值，在相同激光能量辐照下，修复后的熔石英光学元件和理想 熔石英光学元件均能承受1000发次以上)；同时，本专利技术还可抑制熔石英光学元件损伤点 的增长。因此，本专利技术通过修复或抑制熔石英光学元件损伤点，可延长熔石英光学元件的使 用寿命，大大降低运行成本。此外，本专利技术还具有工艺可控性强、重复性高且性能稳定的特 点。附图说明 图1为本专利技术流程示意图。 图2为熔石英损伤光学元件样品修复前的俯视图。 图3为熔石英损伤光学元件样品修复前的侧视图。 图4为熔石英损伤光学元件样品修复后的俯视图。 图5为熔石英损伤光学元件样品修复后的侧视图。 图6为理想熔石英光学元件在6. 4J/cm2激光通量下辐照1000发次后的显微图。 图7为经激光熔融修复、但未退火处理的熔石英损伤光学元件样品在6. 4J/cm2激 光通量下辐照3发次后的显微图。 图8为经本专利技术提供的熔石英光学损伤元件的修复方法修复后的熔石英损伤光 学元件在6. 4J/cm2激光通量下辐照1000发次后的显微图。具体实施例方式光学抛光的熔石英元件尺寸为40 X 60毫米，厚度为4毫米，用1 %氢氟酸溶液刻蚀 10分钟、去离子水清洗和无水乙醇脱水后备用；用波长为355纳米的三倍频Nd: YAG紫外激 光在准备好的熔石英元件上制造尺寸约300微米的一系列损伤点(其中，图2、3所示为一 个损伤点的光学照片)；采用低于损伤增长阈值的紫外激光对光学元件进行光栅式扫描清 洗，扫描过程中激光光斑重叠率达50%以上；采用波长为10. 6微米的红外二氧化碳激光对 元件上的损伤点进行激光熔融修复，所用二氧化碳激光光斑为高斯分布，光斑直径为4毫 米，激光频率为15000赫兹，修复功率逐渐递增，依次为32瓦，34瓦，36瓦，每个功率下辐照 2次，每次辐照作用时间为4秒(图2、3中所示损伤点经熔融修复后的照片如图4、5所示)； 然后将熔石英元件装入洁净的石英保护盒中，采用普通箱式高温退火炉在空气中进行退火 处理，升温速率为10度/分钟，保温温度为800度，保温时间为10小时，降温速率为30度 /分钟；将退火后的熔石英元件在浓度为1%的氢氟酸溶液中刻蚀15分钟，并用去离子水清 洗干净，无水乙醇脱水处理；最后采用波长为355纳米的三倍频Nd:YAG激光对处理后元件 进行激光损伤阈值测试(R:l测试法)和损伤寿命测试。 采用Nikon ECLIPSE E600光学显微镜观察熔石英表面损伤点修复前后的形貌， 从图4、5可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种熔石英光学损伤元件的修复方法，包括以下步骤：　　步骤１：采用红外二氧化碳激光对熔石英光学损伤元件的损伤部分进行激光熔融修复，具体过程为：采用红外二氧化碳激光对熔石英光学损伤元件的损伤部分进行脉冲式辐照，直到熔石英光学损伤元件的损伤部分完全熔融，然后自然冷却；　　步骤２：对经步骤１处理后的熔石英光学损伤元件进行退火处理，具体退火处理过程为：首先将经步骤１处理后的熔石英光学损伤元件放入石英保护盒中，在氧气氛条件下将熔石英光学损伤元件以１０～２０度／分钟的升温速度加热至６００～９００度，然后保温３～１０小时，最后以１０～４０度／分钟的降温速度冷却至室温。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：祖小涛，袁晓东，向霞，郑万国，郭袁俊，蒋晓东，王海军，李熙斌，黄进，吕海兵，
申请(专利权)人：电子科技大学，中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：90