利用CO₂激光修復熔石英光學元件損傷的殘余應力控制

王海軍 欒曉雨

摘 要：CO2激光修復技術是修復熔石英光學元件激光損傷的主要方法，但是在修復過程中可能出現燒蝕、氣泡、殘余應力、調制等問題，尤其是殘余應力問題，如果不加以控制極易導致光學元件再損傷和局部開裂。本文主要研究了在利用CO2激光修復熔石英光學元件的激光誘導損傷過程中的殘余應力控制。通過塞納蒙（Senarmont）應力檢測法，測量應力雙折射產生的光程差隨激光退火時間的變化關系，發展了一種臨界損傷尺寸開裂法精確測量激光退火后的殘余應力，有效控制了產生的殘余應力，提升了熔石英光學元件損傷點的抗損傷能力。

關鍵詞：激光損傷修復 殘余應力 塞納蒙（Senarmont）應力檢測法 熔石英

中圖分類號：TN24 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（b）-0058-02

在高通量三倍頻紫外激光作用下，熔石英光學元件（包括楔形透鏡、取樣光柵、真空窗口等）的激光誘導損傷問題是制約高功率固體激光裝置負載能力的關鍵問題之一。激光誘導損傷不僅會直接導致激光能量的散射損耗并給腔內帶來噴濺污染物，而且更嚴重的后果是熔石英元件的紫外激光損傷點在后續激光輻照下其尺寸和深度會快速增長，嚴重影響了光學元件的穩定性和使用壽命。目前熔石英光學元件表面的激光誘導損傷仍然是限制高功率激光裝置穩定運行的瓶頸。由于大口徑的熔石英光學元件加工周期長價格昂貴，頻繁的更換和重新拋光光學元件需要大量的時間和巨額的費用，這對于維持高功率固體激光裝置高效經濟的運行顯然是不可取的。

NIF采用的修復熔石英光學元件損傷的方法是CO2激光修復技術，利用CO2激光加熱熔融的方式，消除損傷點內部缺陷、裂紋等易導致損傷快速增長的因素，從而達到抑制其增長的目的。然而，CO2激光修復工藝研究固有的缺點是在修復過程中可能出現燒蝕、氣泡、殘余應力、調制等問題[1]，尤其是殘余應力問題，如果不加以控制極易導致光學元件再損傷和局部開裂。本文主要研究了在利用CO2激光修復熔石英光學元件的激光誘導損傷過程中，使用激光在線退火的殘余應力控制技術。

1 激光在線退火原理

在利用CO2激光對熔石英元件的損傷修復后如果直接關閉激光，元件驟冷會導致熔石英結構快速固化，從而形成較大的應力、應變。研究前期，我們采用高溫爐退火技術對形成的殘余應力進行退火去除，雖然可以有效去除殘余應力，但是退火時會產生表面污染，需要在退火后進行氫氟酸溶液刻蝕。根據NIF文獻，我們在CO2激光修復結束后增加一段功率緩降的激光輻照，進行在線激光退火，材料結構有足夠的時間進行弛豫，應力、應變得到一定程度釋放，可以達到改善殘余應力的目的[2]。由于是在線激光退火，減少了高溫爐退火和氫氟酸溶液刻蝕兩道工序，因此極大地提高了工作效率。

2 塞納蒙（Senarmont）法應力檢測探索激光退火規律

圖1是CO2激光損傷修復過程形變示意圖，修復損傷點時局域溫度高于玻璃轉變溫度，損傷材料熔融流動去除裂紋，然而作用結束后溫度急速降低，形成塑性變形區，產生殘余應力[3]。

修復點殘余應力分布可以由光彈性法進行測量[1]，圖2 （a）所示是典型的修復點應力偏光圖，由于損傷修復熔融區域的獨特結構，其分布具有角對稱性，可以觀察到最大的相位延遲位于修復點的周圍，如圖2（a）中紅圈標注區域，此處應力光程差的大小直接與殘余應力的值正相關。通過塞納蒙（Senarmont）法測量這個位置的應力光程差的值，可以有效判斷退火參數是否有效。圖2（b）所示是選定的一組激光退火參數改善殘余應力隨時間變化的情況，可以看出作用時間超過一定值后應力光程差趨于穩定。利用這種方法，通過一系列的參數研究，成功掌握了激光退火的規律，并優化出最佳激光退火參數。

3 臨界損傷尺寸開裂法精確測量殘余應力

塞納蒙（Senarmont）應力檢測法只能測量應力雙折射產生的光程差，對CO2激光修復點，由于應力分布不均勻以及應力存在深度和應力在深度方向的分布都無法測量，因而，無法通過光程差求出應力的大小，只能定性給出殘余應力的變化，不能定量給出殘余應力的大小。為了精確表征激光退火后殘余應力的大小，我們發展了一種臨界損傷尺寸開裂法精確測量激光退火后的殘余應力。這種方法在光程差最大處引入損傷點，當其尺寸增長到某一值時，殘余應力就會釋放導致損傷點嚴重開裂，如圖3所示。通過在修復點的光程差最大處人為引入一系列一定大小的損傷點，觀察是否有失穩進一步開裂的情況，可以精確地推導出局域的殘余應力大小。

通過統計引起開裂的損傷尺寸值，根據損傷點尺寸與臨界應力的關系，推導出的修復點不退火和激光退火后的殘余應力值的大小如表1所示，可以看出激光退火后殘余應力改善明顯，降低到17MPa以下，小于NIF提出的25MPa。上述實驗數據說明CO2激光修復技術在光學元件的循環使用過程中不會出現殘余應力釋放損傷點失穩擴展的情況。

4 結語

通過對CO2激光修復技術的系統研究，掌握了激光退火規律，利用激光在線退火技術，有效控制了產生的殘余應力，并且在退火過程中無污染，有效地提升了熔石英光學元件損傷點的抗損傷能力。對于維持高功率固體激光裝置高效經濟的運行提供了強有力的支撐。

參考文獻

[1] Y. Jiang，X.Xiang，C.M.Liu，et al.Two localized CO2 laser treatment methods for mitigation of UV damage growth in fused silica[J].Chinese Physics B，2012，21（6）：299-306.

[2] C.C.Zhang，W.Liao，L.J.Zhang，et al.Investigation of Control of Residual Stress Induced by CO2 Laser-Based Damage Mitigation of Fused Silica Optics[J].Advances in Condensed Matter Physics，2014（2014）：302-306.

[3] W.Dai，X.Xiang，Y.Jiang，et al.Surface evolution and laser damage resistance of CO2 laser irradiated area of fused silica[J].Optics and Lasers in Engineering，2011，49（2）：273-280.