离子束表面处理提升负载能力的规律和工艺研究

大口径光学元件的负载能力目前已成为限制ICF驱动器输出能力的"瓶颈"问题之一，去除元件表面、亚表面缺陷是提高元件负载能力的重要手段之一。离子束刻蚀作为一种可主动控制的非接触式加工方式，可在不影响元件表面质量（包括表面粗糙度、面形、残余应力）的前提下有效去除或钝化熔石英元件表面和亚表面缺陷，是一项非常有前景的技术。本项目拟采用氩离子束表面处理方法去除或钝化熔石英表面、亚表面缺陷，建立离子束刻蚀物理模型。从实验和理论上研究离子束刻蚀对熔石英的热损伤和力学损伤特性；元件表面缺陷的离子束钝化、去除工艺；离子束参数对表面粗糙度、面形变化的影响规律，以及对熔石英元件负载能力的影响规律。本项目可为改善元件表面质量、提升负载能力提供新思路和依据，也可作为熔石英元件上架运行前期处理的技术储备，具有重要的学术价值和强烈的工程应用背景。

本项目主要针对熔石英光学元件表面抛光沉积层和表面缺陷的大面积钝化、去除，以及熔石英元件经化学刻蚀后表面粗糙度的改善，以及激光预处理和损伤修复后元件表面诱发的大面积密集小尺寸损伤、烧蚀碎片和凸起圆环的去除，系统地开展了离子束表面刻蚀的模拟仿真和实验研究。. 为弄清氩离子与熔石英材料表面相互作用的微观动力学过程以及氩离子辐照对熔石英材料表面产生的热效应，采用分子动力学方法进行模拟仿真，得到了Ar离子与石英表面碰撞随时间演变的动力学过程及结构变化，获得了熔石英玻璃温度、硅氧配位数以及硅氧键长随离子能量的变化规律，给出了在熔石英表面溅射随氩离子入射角度和入射能量的变化情况，给出了氩离子束对损伤点进行修复的优化参数。此外，针对热效应问题，直接从傅里叶定律和能量守恒角度入手，提出了一种更加简洁直观的数值研究热传导问题的方法，仿照溅射率公式，提出了蒸发率的物理公式，用于研究离子束与材料相互作用时的热效应。. 利用基于Monte-Carlo方法开发的SRIM软件分别模拟计算了从离子束能量200~200keV，离子束入射角度0°～89°时熔石英表面原子的溅射产额以及氩离子导致的损伤。通过SRIM软件模拟仿真，综合考虑刻蚀效率和损伤深度，认为Ar离子能量控制在1keV以下为最佳能量参数，此时，Ar离子射程不超过10Å。此外，考虑到刻蚀效率问题，在相同束流密度的情况下，采用60°入射刻蚀效率最高。计算结果为工艺实验提供了依据和指导。. 工艺实验研究表明，在设备洁净度不高的情况下，随着实验时间的累积，实验样品受到严重污染，经过对污染样品的成分分析，得出样品中主要污染元素有C、Fe等杂质，由于不同实验设备使用不同的材料，其受污染元素也不尽相同。在设备清洁度较高的情况下，离子束表面处理能明显钝化和去除加工元件表面CeO2等抛光沉积层和表面缺陷，同时能有效改善化学刻蚀元件的表面粗糙度，从而明显提升元件激光损伤阈值，平均提升幅度为32%。此外，离子束表面处理能有效去除二氧化碳激光修复坑周围的烧蚀碎片和凸起圆环，改善修复形貌，降低修复元件再损伤的风险。. 通过研究发表标注基金论文15篇，其中SCI收录14篇，EI收录1篇；申请中国发明专利2项；国际会议特邀报告2次；作为Co-Chair组织国际会议1次；培养博士生3人（其中2人已毕业），硕士生1人（已毕业）。