新型耐激光辐照氟硅酸盐玻璃的制备及损伤机理的研究

Laser induced damage of optical elements become a bottleneck problem in high power lasers. In our previous studies, a fluorine silicate glass was found and its LIDT(Laser Induced Damage Threshold ) in 351nm was significantly improved comparing with pure silica. Based on this, the influence of species and proportion of fluoride on structure, nonlinear refractive index and band gap of silicate glass system will be studied. Meanwhile, the effect of structure, nonlinear refractive index and band gap of materials on damage threshold will be analysed. Then its physical mechanism will be discuss and the physical model will be established. Finally, working out the scheme of the best properties of material, changing the components of the material, optimizing the preparation process, an UV optical material with high damage threshold and stable physical and chemical properties will be prepared. This research project which prepare high damage threshold fluoride silicate glasses with independent intellectual property rights through innovative research is significance to develop the high power laser. At the same time, the exploration of damage mechanism is valuable for the development of materials science.

激光对光学元件的损伤成为制约高能激光发展的瓶颈问题。在前期的研究中，我们发现向石英玻璃体系加入氟化物组分，新制备的氟硅酸盐玻璃在351nm处的激光损伤阈值较纯石英有明显的改善。基于此，本课题研究不同种类、不同加入量的氟化物对石英玻璃体系的结构、非线性折射率、禁带宽度的影响规律，进而研究和损伤阈值相关的材料的结构、非线性折射率、禁带宽度对损伤阈值影响的主次关系，分析相应物理机制，建立物理模型，设计最佳材料性能方案，改变材料的配方、优化材料的制备工艺，制备出损伤阈值高，物化性能稳定的光学玻璃材料。该项目通过创新性研究制备具有自主知识产权耐紫外激光辐照的氟硅酸盐玻璃，对激光向高能发展具有重要的意义；同时，材料损伤机理的探索，对于材料科学的发展也是一笔宝贵的财富。

随着激光向高能方向的发展，对应用于高能激光条件下的光学材料提出了很高的要求。传统的应用于三倍频激光下的窗口材料石英越来越无法满足高能激光的需要，激光对材料的损伤成为制约激光向高能方向发展的瓶颈问题。但是深紫外光刻界的研究者们发现，氟化物玻璃在紫外波段表现出了很好的抗激光性能。但氟化物玻璃存在许多缺点，如容易析晶，成玻性差，大尺寸制作困难。因此，到目前为止，耐紫外激光辐照的高损伤阈值材料研究进展缓慢。.本课题全面分析了石英玻璃损伤性能难以提高的原因，同时又鉴于氟化物玻璃本身的缺点，在此基础上提出以氟硅酸盐玻璃作为高能激光窗口材料应用的可能。项目以氟硅酸盐玻璃为基础，研究不同种类、不同加入量的氟化物对石英玻璃体系的结构、非线性折射率、禁带宽度的影响规律，进而研究和损伤阈值相关的材料的结构、非线性折射率、禁带宽度对损伤阈值影响的主次关系，制备了一种热稳定性好、三倍频透过性优良的氟硅酸盐玻璃，通过对玻璃在强激光下透过率的研究，发现该玻璃在不同激光通量、激光多次辐照下，均表现出了非常稳定的透过率。同时，对该氟硅酸盐玻璃的激光损伤性能进行了一系列的研究。发现玻璃截止边越靠近紫外，玻璃的损伤阈值越高；退火精度高的样品，其损伤阈值也较高；玻璃损伤阈值和加工的粗糙度存在联系，粗糙度小的样品，玻璃的损伤阈值较高，而且发现Fe2O3抛光粉相比CeO2抛光粉抛光的样品损伤阈值有明显的提高。通过对玻璃性能进行优化，氟硅酸盐玻璃在三倍频ns级激光下的损伤阈值为13.6 J/cm2，是相同加工、测试条件下的石英玻璃的2.2倍。通过对玻璃损伤现象及强激光下体内发光现象的研究，提出了氟硅酸盐玻璃热致损伤模型。通过玻璃结构调整实验对模型进行了验证，发现实验能很好地吻合模型理论。.该项目通过创新性研究制备具有自主知识产权耐紫外激光辐照的氟硅酸盐玻璃，对激光向高能发展具有重要的意义；同时，材料损伤机理的探索，对于材料科学的发展也是一笔宝贵的财富。