激光元件小尺寸损伤的性能修复研究

发布时间：2020-05-17 20:25

【摘要】：激光元件在大功率激光系统中往往会受到强激光辐照而发生损伤,提升激光元件的负载能力,保证大功率激光系统正常运行具有重要的意义。对激光元件表面小尺寸损伤进行修复、抑制损伤增长和提高激光元件的抗激光损伤性能是两种提升激光元件使用寿命的主要方法。课题主要研究内容及结论如下:1.研究了强激光辐照熔石英元件时,热效应产生的驱动应力使损伤点附近的材料发生熔融流动实现愈合损伤点。应用熔石英内部的温度场分布公式,仿真分析高斯脉冲激光脉宽与光斑直径一定时,激光单次辐照修复熔石英的临界能量以及在临界能量范围内所能达到的熔融深度。2.以小尺寸损伤修复理论为基础,设计了熔石英表面小尺寸损伤的修复实验。针对横向尺寸小于25μm,纵向深度小于5μm的损伤点进行了激光辐照修复实验以及引入HF辅助的激光辐照修复实验。结果表明:引入HF辅助处理后,选用50mJ能量辐照损伤点修复效果最好,损伤点纵向深度从4.93μm降低到1.17μm;修复点的激光损伤阈值可恢复到未发生损伤的熔石英基底的88%以上,甚至超过未损伤的熔石英基底激光损伤阈值;同时修复前后熔石英的光透过率没有明显的变化。3.采用激光预处理、离子束后处理和HF化学处理三种技术对激光元件分别进行预处理,可提升激光元件的抗激光损伤性能。对HfO_2薄膜进行激光预处理实验,其激光损伤阈值最高可以提升28.4%(@1064nm)和33.7%(@532nm),同时光透过率没有明显变化;对HfO_2薄膜进行离子束后处理实验,其激光损伤阈值最高可以提升20.18%,同时光透过率没有明显变化;对熔石英基底进行HF化学处理实验。结果表明:熔石英基底的激光损伤阈值随着处理时间的进行先增大后减小,最高可以提升38%,同时透过率没有明显变化。
【图文】：

效果图,效果图

1.1研究背景与意义大功率激光驱动器的发展与激光惯性约束核聚变的研究是自上世纪七十年代以来强激光领域能够体现国家重大需求的重要热点，世界各国都开展了关于高能激光系统的研究[1]。比如美国建成的国家点火系统、法国研制的兆焦耳激光系统以及中国研发的神光装置。这些高功率激光装置系统，均是目前世界上研究进展较快的激光惯性约束装置。中心点火是惯性约束核聚变的点火方式，因此世界各国越来越注重于发展用于中心点火的纳秒级别高能激光系统的研究[2]。美国国家点火装置(NIF)是目前世界上最大和最复杂的强激光光学系统，用于在实验室条件下实现人类历史上的第一次聚变点火。NIF 可以把数百万焦耳的能量通过激光束会聚到一个点上从而产生巨大的温度与压力。采用这一装置，人们可以进行许多对温度要求较高的实验。数百束激光在 30 英尺的靶室中实现会聚，，其中靶室内含有氢同位素靶丸，从而发生核聚变点火，释放出核能量。图 1.1 是 NIF 的总体设计效果图[3]。

脉冲激光,辐照,方式

国际上为了统一激光损伤阈值的测试规范，制定了国标标准 ISO11254。光损伤阈值的定义有两种类型：一种是不造成损害的最大能量密度和造成损害的最小量密度，将其平均作为激光损伤阈值，称作 50%几率损伤。另一种是不对激光样片造明显损伤的最大的能量密度，将其作为激光元件的损伤阈值，称作零几率损伤阈值[41]。对激光元件进行损伤阈值测试时，激光辐照方式主要有四种方式，其中包括 1-on-1、-on-1、R-on-1、N-on-1。1-on-1 方法指的是元件上的每个测试点激光只辐照一次。S-on-1 方法指的是用激光脉冲对元件的同一测试点进行 s 次的辐照，每次辐照相同光的脉冲。R-on-1方法指的是用激光脉冲对元件同一测试点缓慢地增加每个激光脉冲能量辐照次。N-on-1 方法是 R-on-1 方式中最特殊的一种，指的是在相同的间隔内对元件的同一测点用递增的激光脉冲能量辐照 n 次。这种方式下的能量间隔较 R-on-1 方式的能量间隔得多，因此辐照次数就小的多，辐照效率得到了提高。四种作用模式如图 1.3 所示
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN249

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