富氧条件下熔石英表面氧空位的紫外激光修复机理研究

高功率固体激光装置中使用的熔石英表面在真空环境中遭受多发次的紫外脉冲激光辐照后，会出现表面氧空位的显著增加，从而引发抗损伤性能的进一步退化。本课题拟采用强激光聚焦击穿电离氧气产生高活性氧离子，并通过紫外激光辐照离解羟基以提高熔石英表面缺氧键化学吸附氧离子的效率，以达到显著修复表面氧空位的目的。课题将针对不同气氛的氧气进行激光击穿电离，获取相应的等离子体特征谱线，以获得气氛配比、气压与氧离子产额的内在规律。通过理论模拟获得紫外脉冲激光对羟基类化学结构缺陷的影响，并结合对材料表面进行化学组分、吸收系数和激光损伤测试，研究熔石英表面氧空位程度与气氛条件、激光辐照参数的相互关系，从而获得熔石英材料表面氧空位在激光辅助条件下修复的内在机制。该项研究有望实现非晶态表面化学缺陷的重构，可对延缓熔石英元件在高功率固体激光装置中的使用寿命提供有力的理论和技术支撑。

熔石英光学元件具有优良的光学、热学性能和化学稳定性，在高功率激光系统有广泛的应用。随着大型固体激光系统能量密度逐渐提高，光学元件的抗损伤性能是阻碍增大输出能量的重要原因，而表面及亚表面缺陷是诱导激光损伤的重要原因之一。因此，研究光学元件表面及亚表面缺陷诱导损伤规律对于提高光学元件的抗激光损伤能力，提升熔石英在高功率激光系统中的使用寿命具有重要现实意义。.在激光诱导缺陷的检测和分析中，我们建立了亚表面划痕等吸收性缺陷的微观探测技术；用时间飞行二次离子质谱仪检测光学元件亚表面微量污染杂质；同时用表面弱吸收和表面硬度来探测亚表层的总体吸收性能和抗损伤能力，确定光学元件损伤行为密切相关的关键缺陷参数为Ce元素和亚表面划痕。我们并用HF刻蚀来消除亚表面划痕以及金属杂质，确定其修复效果和对损伤性能的影响，并对其机理进行了详细研究。在排除其它因素影响的情况下，我们研究了真空度和激光参数对熔石英损伤特性的影响。并在此基础上，首次提出用氧等离子体来修复熔石英表面结构缺陷，分析其修复效果并推测其机理。