机械特性对熔石英损坏影响研究

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1、机械特性对熔石英损坏影响研究第一章绪论1.1熔石英的制备及种类根据使用的原材料和对原材料的熔融和固化成体材料的过程，形成的熔石英材料具有明显的差异。商业熔石英的生产主要于天然石英，四氯化物液体或者气体气氛或者原硅酸四乙酯液体的气氛。根据不同的合成方法，熔石英可以分为五类[7]。其中一个方法是通过筛选不同含量的天然熔石英晶体，研磨成粉末，然后熔融成块体玻璃。熔融过程必须在真空，惰性气体或者氢气氛的环境中，在耐火坩埚或者容器中通过电热熔炼进行。这样的过程会生产Ⅰ型熔石英。如果是相同的原材料，利用氢氧或者等温等离子体焰炬熔融得到的熔石英，则属于Ⅱ型熔石英。这两类熔石英的主要差别就在于杂质不同，并且

2、Ⅰ型熔石英中的羟基含量较低。熔融气氛影响了熔石英的结构和属性。在熔融后，多种热作用影响熔石英的均匀性。采用SiCl4原料，利用氢氧焰炬获得的熔石英的纯度很高，但是却是湿料（aterial），利用这类方法获得的熔石英称为Ⅲ型。SiCl4原材料可以在相对干燥的环境下，利用氧气或者氩等离子体焰炬获得熔石英，通过这种方法获得的熔石英称为Ⅳ型。Ⅲ型和Ⅳ型两类熔石英的主要差异在于其OH含量，因为OH对2.8μm的光有很强的吸收。使用相似的焰炬，但是沉积在一个冷却器基底上，合成材料也可以形成一个能渗透的梨形人造宝石，这样在熔炉中凝固成一个完全致密的二氧化硅。多孔胚体硅的凝固可以在不同气氛形成，而且可

3、以在比Ⅲ和Ⅳ型熔石英低几百度的温度环境下合成。一些生产制造商利用这种方法来制造块体硅。而此类熔石英与Ⅲ和Ⅳ型非常相似，这取决于凝固的方法。但是这个制造过程很不一样，可以认为是一个独一无二的方法。虽然有不同的观点关于什么类型的熔石英可以认为是Ⅴ型，但是有一个共同的观点就是，熔石英具有多种类型，类型的划分取决于合成过程，而不应该分成早期划分的四种类型。Fleming[8-9]认为这个合成过程与Ⅲ和Ⅳ型非常相似，可以认为是Ⅴ型熔石英。近来已经开发出一种具有掺杂氟化物，低OH的改良熔石英，主要在深UV和真空UV环境中应用[10]。表1-2详细描述了熔石英的类型和相应的主要生产公司。1.2熔石英玻璃的

4、物理性质熔石英外观为无色透明的块体、颗粒或白色粉末。石英玻璃有特别好的透光性，如图1-3（a）给出了康林7980熔石英在300-1100nm波段的透射光谱，在可见光区其透过率达93％以上，在355nm处其透射率也高达93.6%。可见，熔石英是三倍频光区窗口及透镜元件等的首选材料[11]。另外，石英玻璃的光谱性质和其吸收率也密切相关：金属杂质含量多少直接影响其200nm以下波段的透过率；缺氧结构越多，其240nm吸收越强；过渡金属离子的存在会影响到可见光区的吸收率；而2730nm对应羟基的特征吸收峰。图1-3（b）给出了JGS1熔石英的傅里叶变换红外吸收谱，其特征吸收带峰值中心为：803cm-

5、1，及1039cm-1、1121cm-1（肩峰），前者为氧原子的弯曲振动模，后者分别为Si-O-Si键非对称拉伸振动对应的横光学模（TO）和纵光学模（LO）。紫外光学石英玻璃，应用波段220-2500nm，可用水晶做原料，气炼法生产；红外光学石英玻璃，应用波段260-3500nm，可采用水晶或高纯度石英砂为原料，真空加压炉生产。另外还有一种全波段光学石英玻璃，应用波段180-4000nm，可采用特纯SiCl4为原料，用等离子化学相沉积法（无水无H2状态下）生产。第二章熔石英玻璃损伤基本概述2.1损伤定义光学元件在激光系统中产生的损伤是指：光学元件经受激光辐照以后，材料表面或者内部发生性能或者

6、结构的改变[33]，通常这种改变是不可逆的并且对光学系统的光传输造成严重影响。光学元件损伤主要包括绝对损伤和功能损伤两种，绝对损伤是指在Normarski型微分相衬显微镜放大倍率为100-150倍时观察到的因激光辐照而引起的光学元件表面特征发生永久性的变化；功能损伤通常是指没有观测到永久性的变化，但此时光学元件对光学系统的实际使用性能已经造成影响。不管是哪种形式的损伤都对元件表面或者内部的结构、材料的物理和化学性质发生了不可逆的、根本性的损伤，此时会严重影响光学信号的传输以及传输的稳定性。判定元件在强激光辐照下的抗辐照能力，一般使用损伤阈值的概念来表征，损伤阈值是光学元件发生临界损伤时激光束

7、的能量密度[34]。在实际测试中，由于光学元件缺陷的不均匀性以及激光输出能量输出的不均匀等原因，使得损伤在某一能量下发生损伤具有一定概率性。目前，对激光损伤阈值的判定一般分为两类：一是用取平均值法，即在实验中取计算发生损伤的最低能量的平均值以及未发生损伤的最高能量的平均值，然后取发生损伤的最低能量与未发生损伤的最高能量的平均值为该样品的损伤阈值。另一种方法是一种统计规律的计算方法，即通过大量能量下测试损伤情况