化学机械抛光对熔石英元件抛光亚表面缺陷和损伤性能的影响机制研究

The subsurface structural defects generated during chemical mechanical polishing process are dangerous damage precursors for large aperture fused silica optics in high power laser facilities. Because of the small size and complex generation mechanism of the polishing induced subsurface structural defects, the relationships among polishing parameters, subsurface structural defects distribution and laser induced damage performance of fused silica optics have not been reveled yet. Thus, we are going to investigate the bear load of polishing particles and generation, instantaneous distribution and final distribution of subsurface structural defects to establish the distribution model for subsurface structural defects and reveal the influence mechanism of polishing parameters on subsurface structural defects distribution. Besides, in-situ laser induced damage test and random distribution damage precursor model are used to establish the laser induced damage performance prediction model and investigate the influence of subsurface structural defects distribution on laser induced damage performance of fused silica optics. Finally, the correlations among polishing parameters, subsurface structural defects distribution and laser induced damage performance of fused silica optics will be theoretically and experimentally revealed. This research project will be helpful to further improve the laser induced damage performance and using life time of large aperture fused silica optics used in high power laser facilities.

化学机械抛光引入的亚表面物理结构缺陷（简称亚表面缺陷）是导致大口径熔石英光学元件在强激光装置中产生紫外激光损伤的重要原因。针对目前学术界对熔石英元件抛光过程、亚表面缺陷分布特性和激光损伤性能相互间的影响机制认识不足的问题，本项目拟通过深入研究抛光过程中抛光颗粒的受力分布情况以及亚表面缺陷的微观产生过程、瞬态分布和稳态分布，建立抛光亚表面缺陷的产生和分布模型，探寻抛光参数对抛光亚表面缺陷分布特性的作用和演变机制，通过对抛光亚表面缺陷的分布特性和激光损伤特性的研究，结合多种随机分布损伤前驱体模型建立熔石英元件的激光损伤性能预测模型，研究抛光亚表面缺陷的分布特性对熔石英元件激光损伤性能的影响机制，最终揭示抛光参数—亚表面缺陷分布特性—元件整体激光损伤性能相互间的影响规律和作用机制。本项目的实施对进一步提升强激光装置中大口径熔石英光学元件的激光损伤性能和使用寿命具有重要的理论意义和实用价值。

化学机械抛光引入的亚表面物理结构缺陷（简称亚表面损伤）是导致大口径熔石英光学元件在强激光装置中产生紫外激光损伤直至下架更换的重要原因。本项目重点针对熔石英元件化学机械抛光微观过程、亚表面缺陷分布特性和激光损伤性能相互间的影响规律进行了理论和实验研究。通过结合弹性接触模型、塑性印压模型、宏观接触模型、磨损去除模型和蒙特卡洛随机去除模型建立了抛光过程中亚表面损伤的产生和分布模型，实验验证结果基本与理论预测结果保持一致。理论和实验研究结果表明微米级颗粒主要去除机制为塑性印压去除，因此会在抛光过程中产生大量的塑性亚表面损伤，基本不会产生断裂性损伤（断裂性损伤主要是由大尺寸异质颗粒造成），通过控制抛光颗粒的平均粒径、拖尾粒径和抛光模的弹性模量可以有效抑制抛光亚表面损伤的密度和深度以及提升元件的表面粗糙度。而纳米级颗粒抛光去除机制主要为弹性磨损去除机制，几乎不会产生可见的塑性亚表面损伤，因此可以实现无亚表面损伤的超光滑表面制造，表面粗糙度最优可达到0.13nm。随着抛光亚表面缺陷密度的增加，元件的激光损伤密度呈现指数增长，激光损伤阈值则缓慢降低，因此有效控制熔石英元件的抛光亚表面缺陷密度和深度对提升熔石英元件的使用寿命具有非常显著的意义。由于表面沉积层发挥了牺牲层的作用，通过离子束刻蚀可以有效去除和修复熔石英元件的塑性亚表面损伤。本项目的研究成果对实现超低亚表面缺陷超光滑表面熔石英元件的制造以及进一步提升强激光装置中大口径熔石英元件的激光损伤性能和使用寿命具有重要的理论意义和实用价值。