CN105948519B - 一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法 - Google Patents

一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105948519B
CN105948519B CN201610306938.5A CN201610306938A CN105948519B CN 105948519 B CN105948519 B CN 105948519B CN 201610306938 A CN201610306938 A CN 201610306938A CN 105948519 B CN105948519 B CN 105948519B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
fused quartz
laser pulse
pulse
damage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610306938.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105948519A (zh
Inventor
张传超
廖威
王海军
张丽娟
叶亚云
陈静
蒋岚
蒋一岚
栾晓雨
袁晓东
郑万国
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Original Assignee
Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics filed Critical Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Priority to CN201610306938.5A priority Critical patent/CN105948519B/zh
Publication of CN105948519A publication Critical patent/CN105948519A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105948519B publication Critical patent/CN105948519B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C15/00—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by etching

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本发明提供了一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，该方法通过截取激光器输出脉冲的峰值段，获得高峰值功率矩形激光脉冲；聚焦高峰值功率矩形激光脉冲，获得甚高峰值功率密度单激光脉冲；使用单激光脉冲瞬间气化剥离熔石英基底上的单点的损伤部位材料；控制单激光脉冲间隔，使基底充分冷却；利用单激光脉冲重复进行气化剥离，直至去除损伤部位全部材料。本发明方法有效控制了熔石英基底发生高温结构弛豫，获得了无热残余应力的熔石英损伤修复，提升了熔石英光学元件损伤点的抗损伤能力，抑制了熔石英光学元件表面损伤及其增长，延长了熔石英光学元件使用寿命，具有修复时间短、过程简洁高效、工艺稳定性好、可控性强、重复性高的优点。

Description

一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法
技术领域
本发明属于光学材料与光学元件技术领域，具体涉及一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法。
背景技术
熔石英材料由于其优异的化学稳定性和良好的光学性能，在大型高功率激光系统中广泛用于制备透镜、光栅、窗口和屏蔽片等光学元件。然而，在高通量紫外激光作用下，熔石英光学元件的表面容易产生损伤，而且，损伤尺寸会随着激光发次的增加而快速扩展，严重影响了光学元件的稳定性和使用寿命。目前光学元件表面的激光诱导损伤仍然是限制高功率激光装置通量的瓶颈，抑制光学元件表面损伤及其增长以保证激光通量水平和延长元件使用寿命是大型高功率激光装置长期稳定运行需要解决的关键问题之一。
目前国内外报导的熔石英光学元件损伤修复方法最具有实用化前景的是CO2激光修复技术。2006年，赵松楠等人介绍了CO2激光熔融修复熔石英元件表面损伤（赵松楠 等.激光与光电子进展,43(3),43-47 (2006)）。2007年，黄进等人采用光斑扫描方式对元件进行处理，改善了表面形貌，提高了损伤阈值（黄进 等.中国激光,334(5),723-727(2007)）；2009年，黄进等人利用CO2激光对熔石英表面缺陷进行局部熔融修复，改善了深度200nm划痕的损伤阈值（黄进 等.中国激光,36(5),1282-1286(2009)）。2010年，戴威等人在综述中介绍了一种采用振镜螺旋扫描，实现大尺寸损伤点熔融修复的方法，并指出残余应力和光场调制严重影响了修复质量（戴威 等.激光与红外，40,580-585 (2010)）。2011年，罗成思等人通过采用功率缓慢递增多次作用的振镜螺旋式扫描的方式实现了损伤熔融修复（罗成思 等.大众科技，12,103-105 (2011)）。2012年，李熙斌等人采用CO2激光与振镜系统结合，获得了500微米尺寸的大损伤点的修复，修复成功率达80%，但是修复后存在严重的残余应力（李熙斌 等.强激光与离子束，24,1757-1760 (2012)）。2014年，蒋勇等人利用CO2激光光栅式扫描消除了表面划痕、抛光点等缺陷，并分析了扫描过程中温度分布规律（蒋勇 等.物理学报，63,068105 (2014)）。2010年，刘红婕等人指出CO2激光热致应力影响熔石英的损伤阈值，热致应力会加剧激光诱发的损伤增长，并认为目前使用的CO2激光修复缺陷的方法还不能工程化应用于大口径光学元件的处理（刘红婕 等.物理学报, 59(2), 1308-1313(2010)）。2011年，向霞等人采用高温炉退火技术对熔石英元件表面CO2激光修复带来的残余应力进行去除，但是退火时产生表面污染，需要在退火后进行氢氟酸溶液刻蚀才可以恢复损伤阈值（向霞 等. 强激光与粒子束, 23(9), 2396-2400(2011)）。2013年，刘春明等人指出CO2激光损伤修复残余应力处阈值较低，并指出修复后发生再损伤存在进一步开裂的现象，同时指出热处理炉退火消除残余应力时必须控制元件洁净度，否则会出现析晶现象（刘春明 等.物理学报, 62, 094701 (2013)）。2015年，张传超等人研究发现损伤修复后局域密度升高造成结构的不均匀是产生残余应力的根本原因，并指出通过激光退火可以抑制局域密度的变化（张传超 等.中国物理B, 24, 024220 (2015)）。为了避免修复损伤时热致应力的产生，2013年，方周等人采用飞秒激光修复熔石英损伤点，飞秒激光技术是有效的无热加工技术，由于飞秒脉冲与物质作用时间极短，晶格几乎不加热，避免了热应力的产生，但是飞秒激光作用是非常剧烈的过程，导致硬脆性的熔石英形成微裂纹和易激光损伤材料，研究发现飞秒激光处理后需要使用氢氟酸溶液刻蚀等后续处理（方周 等.中国专利,申请公布号CN103232167A；方周 等. 中国激光，40，0403001 （2013）），飞秒激光在加工硬脆性熔石英材料存在固有的缺陷，难以工程化应用。
因此，现有的熔石英损伤修复方法尚不具备简洁高效地修复损伤的能力，亟需一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法。
本发明的熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，其特点是，包括以下步骤：
a. 截取高峰值功率矩形激光脉冲；
b. 聚焦高峰值功率矩形激光脉冲，获得甚高峰值功率密度单激光脉冲；
c. 使用单激光脉冲瞬间气化剥离基底上的单点的损伤部位材料；
d. 控制单激光脉冲间隔，使基底充分冷却，重复步骤c，直至去除损伤部位全部材料。
所述的步骤a的高峰值功率矩形激光脉冲是通过裁剪激光器输出脉冲的峰值段获得的，高峰值功率矩形激光脉冲的脉宽调整范围为4μs~30μs，上升沿小于等于1000ns，下降沿小于等于1000ns。
所述的激光器为射频激励CO2激光器，波长为10.6μm，光斑呈高斯分布。
所述的步骤b、步骤c的单激光脉冲的峰值功率密度大于等于1×106W/cm2，单激光脉冲的光斑直径尺寸范围为80μm ~140μm。
所述的步骤d的单激光脉冲间隔时间大于等于1ms，连续单激光脉冲的平均功率范围为0.5 W ~2W。
所述的步骤d的单激光脉冲在基底上的运动轨迹形状为螺旋点阵、矩形点阵或圆形点阵。
本发明的熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法具有如下优点：
1. 本发明的熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法有效控制了熔石英基底发生高温结构弛豫，抑制了激光修复产生的热残余应力，实现了无热残余应力的熔石英损伤修复。
2. 本发明的熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，在对损伤点修复的过程中不对熔石英元件表面带来污染，不需要采取污染处理措施。
3. 本发明的熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，有效地提升了熔石英损伤点的损伤阈值，抑制了元件表面损伤及其增长，延长了激光诱导损伤的熔石英光学元件的使用寿命。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明。
以下实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。
表1为实施例中的技术数据。
实施例1
1.最高连续输出功率100W的射频激励CO2激光器，设置输出频率为1000Hz,占空比25%，其输出脉冲波形具有百微秒的上升沿，之后才达到功率峰值。由于较低的功率不能有效地气化剥离损伤材料，并会导致材料的加热，引入热残余应力，因此必须对射频激励CO2激光器输出脉冲进行裁剪，获取脉冲峰值段。利用声光调制器对激光脉冲波形进行裁剪，设置声光调制器与CO2激光器同步，占空比0.4%，通过声光调制器对光的偏折效应截取脉宽4μs的高峰值功率矩形激光脉冲，上升沿为800ns，下降沿为800ns；
2.利用5倍的扩束镜对CO2激光扩束，并使用焦距100mm的透镜对裁取的高峰值功率矩形激光脉冲聚焦，获得直径约80μm的光斑，聚焦后获得甚高峰值功率密度单激光脉冲，单激光脉冲峰值功率密度为2.7×106W/cm2，被辐照的基底上的单点的损伤部位材料瞬间升温到气化点以上气化剥离远离熔石英元件表面，显微观察表明单激光脉冲瞬间气化剥离损伤部位材料后获取的元件表面光洁，没有烧蚀物沉积；
3.设置单激光脉冲频率为1000Hz,即在1000μs的一个单激光脉冲周期中，只有4μs的甚高峰值功率密度脉冲作用气化剥离基底上的单点的损伤部位材料，其余时间为无激光作用的冷却过程，单激光脉冲作用后经过充分冷却，基底温度快速降到熔石英熔融温度以下，连续单激光脉冲的平均功率为0.5 W，较低的平均功率避免辐照区域基底材料处于高温状态，避免更大范围材料的熔融；
4.熔石英表面典型的激光损伤点具有大量的微裂纹等损伤形貌，通过叠加单激光脉冲气化剥离部分损失材料，最终达到全部损伤材料的去除，实现损伤修复。设置单激光脉冲光斑重叠率为75%，气化剥离损伤材料路径是使用扫描振镜驱动单激光脉冲光斑以螺旋点阵、矩形点阵或圆形点阵逐层去除损伤区域的材料，在逐层去除过程中每一层以损伤点为中心，层与层之间逐步增大点阵的直径，最终去除全部的损伤材料，形成一个表面光洁的圆锥形的修复坑点。
使用PTC-702应力仪采用锐敏色法测量熔石英修复点应力分布情况，分别从俯视和侧视的角度测量熔石英修复点沿径向和深度的应力，应力测量结果表明本发明的修复方法获得的修复点测不出应力。因此，本发明的熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法极大地抑制了CO2激光修复损伤的热残余应力，获得了无热残余应力的修复点。
实施例2
本实施例的实施方式与实施例1基本相同，主要区别在于，高峰值功率矩形激光脉冲的脉宽为15μs，上升沿为1000ns，下降沿为1000ns；单激光脉冲光斑直径为100μm，峰值功率密度为1.3×106W/cm2，单激光脉冲间隔时间为2ms，连续单激光脉冲平均功率为1.0W。
实施例3
本实施例的实施方式与实施例1基本相同，主要区别在于，高峰值功率矩形激光脉冲的脉宽为30μs，上升沿为1000ns，下降沿为1000ns；单激光脉冲光斑直径为140μm，峰值功率密度为1.0×106W/cm2，单激光脉冲间隔时间为2ms，连续单激光脉冲平均功率为2.0W。
表1

Claims (5)

1.一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.采用最高连续输出功率100W的射频激励CO2激光器，设置输出频率为1000Hz，占空比25%，其输出脉冲波形具有百微秒的上升沿，之后才达到功率峰值，截取高峰值功率矩形激光脉冲；
b. 聚焦高峰值功率矩形激光脉冲，单激光脉冲的光斑直径尺寸范围为80μm~140μm，获得甚高峰值功率密度单激光脉冲，单激光脉冲的峰值功率密度大于等于1×106W/cm2；
c. 使用单激光脉冲瞬间气化剥离基底上的单点的损伤部位材料；
d. 控制单激光脉冲间隔，使基底充分冷却，重复步骤c，直至去除损伤部位全部材料。
2.根据权利要求1所述的一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，其特征在于：所述的步骤a的高峰值功率矩形激光脉冲是通过裁剪激光器输出脉冲的峰值段获得的，高峰值功率矩形激光脉冲的脉宽调整范围为4μs~30μs，上升沿小于等于1000ns，下降沿小于等于1000ns。
3.根据权利要求1所述的一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，其特征在于：所述的射频激励CO2激光器，波长为10.6μm，光斑呈高斯分布。
4.根据权利要求1所述的一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，其特征在于，所述的步骤d的单激光脉冲间隔时间大于等于1ms，连续单激光脉冲的平均功率范围为0.5W ~2W。
5.根据权利要求1所述的一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法，其特征在于：所述的步骤d的单激光脉冲在基底上的运动轨迹形状为螺旋点阵、矩形点阵或圆形点阵。
CN201610306938.5A 2016-05-11 2016-05-11 一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法 Active CN105948519B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610306938.5A CN105948519B (zh) 2016-05-11 2016-05-11 一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610306938.5A CN105948519B (zh) 2016-05-11 2016-05-11 一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105948519A CN105948519A (zh) 2016-09-21
CN105948519B true CN105948519B (zh) 2019-02-22

Family

ID=56915318

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610306938.5A Active CN105948519B (zh) 2016-05-11 2016-05-11 一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105948519B (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107052584B (zh) * 2017-05-18 2018-09-21 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法
CN108038266A (zh) * 2017-11-17 2018-05-15 西安铂力特增材技术股份有限公司 一种选择性激光修复过程的数值模拟方法
CN108693189A (zh) * 2018-04-02 2018-10-23 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 大口径熔石英光学元件基准标识的构建方法
CN112608035B (zh) * 2020-12-23 2022-06-07 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 熔石英元件的飞秒激光改性装置及其损伤点复合修复方法
CN112723756B (zh) * 2020-12-25 2023-01-06 中国人民解放军国防科技大学 用于熔石英元件表面激光辐照损伤缺陷的组合修复方法
CN112759276B (zh) * 2021-01-05 2022-08-09 中国科学院上海光学精密机械研究所 熔石英光学元件表面缺陷的增材修复方法及装置
CN113296178B (zh) * 2021-06-09 2022-07-19 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种co2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法
CN113340504B (zh) * 2021-07-13 2022-03-01 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种从熔石英假想温度分布获取残余应力分布的方法
CN114113111B (zh) * 2021-11-29 2023-08-18 哈尔滨工业大学 大口径熔石英光学元件表面微缺陷的自动化激光修复方法
CN114739635A (zh) * 2022-01-29 2022-07-12 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种光学元件激光损伤测试设备及方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101781086A (zh) * 2010-01-15 2010-07-21 电子科技大学 一种熔石英光学损伤元件的修复方法
WO2011041188A3 (en) * 2009-10-01 2011-07-14 Lawrence Livermore National Security, Llc Methods for globally treating silica optics to reduce optical damage
CN103978306A (zh) * 2014-04-23 2014-08-13 成都精密光学工程研究中心 熔石英光学元件激光修复装置及修复方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011041188A3 (en) * 2009-10-01 2011-07-14 Lawrence Livermore National Security, Llc Methods for globally treating silica optics to reduce optical damage
CN101781086A (zh) * 2010-01-15 2010-07-21 电子科技大学 一种熔石英光学损伤元件的修复方法
CN103978306A (zh) * 2014-04-23 2014-08-13 成都精密光学工程研究中心 熔石英光学元件激光修复装置及修复方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《An Improved Method of Mitigating Laser Induced Surface Damage Growth in Fused Silica Using a Rastered, Pulsed CO2 Laser》;Bass, Isaac L等;《LASER-INDUCED DAMAGE IN OPTICAL MATERIALS: 2010》;20101231;第7842卷;正文第3-4，9-10页及附图4和14
《熔石英光学元件表面损伤修复的理论和实验研究》;蒋勇;《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20130515;第31-38页

Also Published As

Publication number Publication date
CN105948519A (zh) 2016-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105948519B (zh) 一种熔石英激光损伤的无热残余应力修复方法
CN102017088B (zh) 在经脉冲激光照射而掺杂的材料上构造平坦表面
EP3169475B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum laserbasierten bearbeiten von flächigen, kristallinen substraten, insbesondere von halbleitersubstraten
US9687936B2 (en) Transparent material cutting with ultrafast laser and beam optics
Kudrius et al. Surface-texturing of sapphire by femtosecond laser pulses for photonic applications
Chen et al. Laser annealing process of ITO thin films using beam shaping technology
Zhu et al. Evolution of silicon surface microstructures by picosecond and femtosecond laser irradiations
EP3313605A1 (en) Method of, and apparatus for, laser blackening of a surface, wherein the laser has a specific power density and/or a specific pulse duration
KR20100076918A (ko) 레이저 가공 방법
JP2018520085A5 (zh)
KR101181719B1 (ko) 펨토초 레이저에 의해 나노 보이드 어레이 형성을 통한 절단방법
EP2750825A1 (en) Method for structuring a surface
Du et al. Rear-side contact opening by laser ablation for industrial screen-printed aluminium local back surface field silicon wafer solar cells
Sun et al. 1064 nm nanosecond laser induced concentric rings and periodic ripples structures at the exit surface of fused silica
Chen et al. Multilayered structuring of thin-film PV modules by ultrafast laser ablation
Domke et al. Minimizing the surface roughness for silicon ablation with ultrashort laser pulses
KR101164418B1 (ko) 펨토초 펄스 레이저의 비선형 초점이동을 통한 절단방법
Johnston et al. Laser cutting and micromachining for localized and targeted solar cell characterization
WO2013026463A1 (en) Laser scribing process
Ma et al. Damage growth characteristics of different initial damage sites of fused silica under 355 nm small laser beam irradiation
Graf et al. Comprehensive simulation and acceleration of the foil-metallization laser process
Sundaram Ultrafast Laser Processing of Silicon
Heinrich et al. Influence of pulse duration and surface topography on laser ablation of silicon nitride layers on thin emitters
Yu et al. Surface cleavage of zinc oxide induced by femtosecond laser irradiation
Hendow et al. Pulsed fiber laser texturing of metals, silicon, and ceramics: comparison of surface structural changes induced by ns and fs pulses

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant