强光元件离子束抛光表面本征特性演变机理研究

In high energy laser systems, such as inertial confinement fusion device, except geometric accuracy index, laser damage resistance is also a major service index of optical elements, which brings new challenge to optical fabrication. Optical components surface defects, generated during process and manufacture, are the principal cause of laser damage. Therefore, the achievement of low surface defects manufacture becomes a bottleneck, restricting the development of high power optical technology. This program focuses on the damage kinetics of optics intrinsic surface under high power laser radiation, the description of the intrinsic characteristic transformation of optics surface after Ion Beam Figuring (IBF) and on the effect of damage-removing of ion spurting theory on optical surface. The research aims at uncovering the mechanism of the generation and development of Laser-induced damage (LID) lead by impurity. Meanwhile, the surface structure, physical characteristic and impurity defects of optical surface, which is ion beam spurted, will be researched as well. Directed by those work, the Laser-induced Damage Threshold (LIDT) of typical optics can be raised and the connotation variety of complex index nanometer precision manufacture of optics can be enhanced. Finally, this research can provide process theory and technology support to the vital high power laser projects in our country.

在惯性约束聚变装置等高能激光系统中，其光学元件除了有几何精度指标要求，抗强激光辐照损伤也是其重要服役需求，这给强光元件纳米精度制造带来新的挑战与内涵。而光学元件制造产生的加工缺陷导致其表面本征特性改变是激光损伤的主要诱因，实现强光元件低损伤制造成为制约高功率激光技术发展的瓶颈。项目通过研究高功率激光辐照下光学元件表面本征特性诱导损伤动力学问题，强光元件离子束加工表面本征特性演变表征，强光元件表面材料离子溅射低损伤去除作用特性等科学问题，揭示污染杂质等缺陷诱导强光光学元件激光损伤发生、发展规律，强光材料表面离子溅射作用下表面结构、物理特性、杂质缺陷等扰动参数的影响规律，形成强光元件本征表面离子束清洗抛光方法，提升典型强光元件抗激光损伤阈值水平，丰富多性能光学元件纳米精度制造内涵，为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。

在惯性约束聚变装置等高能激光系统中，其光学元件除了有几何精度指标要求，抗强激光辐照损伤也是其重要服役需求，这给强光元件纳米精度制造带来新的挑战与内涵。而光学元件制造产生的加工缺陷导致其表面本征特性改变是激光损伤的主要诱因，实现强光元件低损伤制造成为制约高功率激光技术发展的瓶颈。项目围绕强光光学元件低损伤高阈值表面制造需求，利用离子束抛光技术，针对高功率激光辐照下光学元件表面本征特性诱导损伤动力学问题，强光元件离子束加工表面本征特性演变表征，强光元件表面材料离子溅射低损伤去除作用特性等科学问题，在强光元件离子束抛光的理论和工艺等方面开展相关研究，为实现强光元件制造提供新的方法和途径。具体的研究内容包括以下几个方面：.(1)研究了离子溅射的数学模型及其作用机理。探讨了离子溅射的表面/亚表面低损伤加工特性，研究了材料特性对离子溅射的影响规律，为离子束低损伤加工奠定了理论基础。.(2)探索了强光元件表面污染杂质诱导激光损伤的机理，针对熔石英元件制造过程中常见的Ce和Fe污染，使用有限差分法和有限元方法仿真揭示污染杂质等缺陷诱导强光光学元件激光损伤发生、发展规律，为加工工艺提供理论指导。.(3) 研究了强光元件离子溅射表面本征特性的演变规律和作用机理。通过研究离子溅射作用下强光元件表面缺陷的形貌演变，离子溅射对表面本征特性的改变机制，以及本征特性的表征和评价等问题，解决了表面缺陷的去除和抑制及其对提高抗激光损伤性能的作用等难题，为强光元件高抗激光损伤制造工艺提供理论依据。.(4) 探索了强光元件离子溅射清洁制造工艺的优化方法。基于强光元件现有后处理工艺的不足，从离子溅射对损伤前躯体的作用规律出发，通过优化离子溅射工艺参数，探索HF酸刻蚀与离子溅射清洁工艺联合抑制表面缺陷的理论和方法，提升了典型强光元件抗激光损伤阈值水平。.