熔石英玻璃激光无损伤超光滑表面抛光机理及关键技术研究

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1、熔石英玻璃激光无损超光滑表面抛光机理及关键技术研究（一）立项依据与研究内容1、项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）；1)研究意义强光光学元件制造是现代光学制造的重要的分支，主要用于高能或高功率激光系统中的光学元件，不仅要求高的轮廓精度，同时还要经受高能或高功率激光辐照，抗激光损伤(LaserDamage)阈值成为重要指标。惯性约束核聚变(InertialConfinementFus

2、ion，ICF)系统是典型的高功率激光系统，美国国家点火装置(NationalIgnitionFacility,NIF)和我国系列“神光”激光装置就是其中代表。位于终端系统的熔石英元件（包含色分离聚焦透镜、CPP、BSG、防溅射板等）的紫外激光损伤是当前高功率激光驱动器装置中激光损伤问题中最为严重的部分。国内外大量的研究表明熔石英元件的紫外激光损伤主要是由于目前的加工工艺在光学元件表面材料去除过程带来的划伤和表面/亚表面产生的缺陷所致。熔石英光学元件的激光损伤问题是NIF装置实施和当前运行的最大障碍[]。我国高功率激光系统也遇

3、到类似激光损伤瓶颈问题，在高功率激光辐照下，光学元件表面产生大量激光诱导损伤，无法满足需求。ICF激光驱动器运行通量的进一步提升，必须首先解决紫外光学元件的激光损伤问题，如何在实现紫外光学元件高的面形精度前提下，进行加工缺陷的有效的控制，实现无损超光滑表面抛光，提升损伤阈值，已成为迫切需要解决的关键技术。在高功率激光系统中，为保证激光系统稳定运行在高通量条件下，并获得理想的光束聚焦质量，必需达到良好的面形精度、表面质量及超光滑的表面粗糙度指标，同时还需严格控制中频波前误差及与低缺陷。研究表面(表明)，加工缺陷引起光学表面本征特

4、性改变是导致强光元件诱导激光损伤的主要因素。目前已有的超光滑光学表面加工技术包括化学抛光、化学机械复合抛光、激光抛光、离子束加工、ELID磨削技术、磁流变抛光技术等，这些加工方法会在被加工表面产生裂纹、划痕、残余应力和污染杂质等缺陷，改变光学元件表面本征特性，使光学元件在受到高功率激光辐照时候，由于激光作用使元件局部或整体的几何结构、元件材料的物理化学性质发生了根本性、不可恢复的变化。如图1所示，从而降低元件透过率和光束质量，产生波前畸变，影响焦斑质量，调制光强分布而产生光场强区，并使得下游元件产生新的损伤。更为严重的是，该激

5、光损伤是一个“自加速”的过程，初始损伤一旦产生，损伤尺寸会随着后续激光发次呈指数增长，如图2所示，从而将大大降低光学元件的激光能量负载能力，成为限制系统激光能量输出能力的主要因素[4]。图1加工缺陷诱导的激光损伤图2激光诱导损伤自加速过程目前，还没有一种理想的技术或收到满足无表面瑕疵及亚表面损伤的要求。如此一来，研究一种新的光学材料抛光方法和工艺，获得亚纳米轮廓精度和超光滑无损伤的光学表面，是可能突破激光损伤瓶颈问题的新途径。中科院上海光机所结合该所超精密光学元件加工与检测、强激光与光学材料相互作用及损伤等领域的技术积累和优势

6、，利用CO2激光和飞秒超强激光抛光熔石英元件缺陷研究，初步的研究结果表明利用激光抛光可以有效去除微缺陷并提升缺陷处的损伤阈值[]。基于激光与物质相互作用机理，激光抛光具有以下鲜明的优点：①非接触式抛光，正压力小，可实现无亚表面缺陷加工；②抛光样品时，不需要抛光辅料，元件表面没有抛光粉嵌入的问题，耐激光损伤，无环境污染；③采用合适的激光光源，可普适性应用于玻璃、晶体、金属、陶瓷等；④可灵活适合平面，球面，自由曲面元件的抛光。激光抛光技术具有上述特点，理所当然的成为了一种很有发展前途的抛光方法，有望解决传统抛光工艺中无法解决的光学

7、元件的损伤阈值问题。本项目主要开展利用CO2激光束联合飞秒激光束对熔石英玻璃，实现无损超光滑表面抛光的研究。即利用CO2激光束联合飞秒激光束抛光熔石英玻璃，通过研究CO2激光束与熔石英玻璃相互作用机理，飞秒激光与熔石英相互作用机理，激光光束整形，激光自动聚焦，基于面形检测反馈的光束扫描路径的规划与自动化控制等激光束抛光的关键技术问题，实现熔石英玻璃激光无损超光滑表面抛光，突破强光光学元件高抗激光损伤瓶颈，为我国绿色低碳环保加工技术，我国重大强激光工程的实施提供工艺理论和制造技术支持。2)国内外研究现状激光束抛光技术在加工中的应

8、用已展现出强大优势，美国威斯康辛大学的研究人员[]，研究了利用波长1064nm的Nd:YAG连续激光器和脉冲光纤激光机抛光金属镍（Nickel）、钛合金（Ti6Al4V）和铝合金（Al-6061-T6），在毛细流和热毛细流两种机制下提出理论预测模型，准确的预测抛光后金属表面的