超強激光科學卓越創(chuàng)新簡報

(第五百二十九期)

2024年7月4日

上海光機所在激光清洗提升熔石英元件損傷閾值研究中取得新進展

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光元件技術與工程部研究團隊在激光清洗提升熔石英元件損傷閾值研究中取得新進展。研究首次提出了利用微秒脈沖CO₂激光清洗提升熔石英元件的抗損傷性能。相關研究成果以“Microsecond-pulsed CO₂ laser cleaning of high damage threshold fused silica”為題發(fā)表于International Journal of Mechanical Sciences。

伴隨著現(xiàn)代光學技術的發(fā)展，熔石英元件紫外激光誘導損傷問題嚴重制約了高功率激光系統(tǒng)的發(fā)展。目前接觸式研拋工藝不可避免產生缺陷及污染，且難以通過后處理完全去除，大大降低了熔石英元件使用性能和壽命。

為此，研究團隊通過宏觀-微觀-納觀的多尺度模擬方法，揭示了缺陷和污染對元件損傷性能的調制機理。通過多模態(tài)表征缺陷及污染的分布規(guī)律，印證了激光清洗可以有效地消除和抑制表面/亞表面缺陷、吸收型缺陷、化學結構缺陷和元素污染，不會產生殘余熱應力、嚴重破壞材料表面粗糙度。激光清洗后的樣品與傳統(tǒng)加工工藝下的樣品（機械化學拋光、機械化學拋光+磁流變拋光、機械化學拋光+氫氟酸刻蝕）相對比，顯示出更高的損傷閾值，0%概率下的損傷閾值最高提升了47.6%，100%概率下的損傷閾值最高提升了27.0%。本研究提出的激光清洗方法為熔石英元件的低缺陷、清潔制造提供了全新思路。

相關工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市揚帆計劃等基金的支持。

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圖1 微秒脈沖CO₂激光清洗原理及實驗示意圖

圖2 宏觀-微觀-納觀多尺度仿真模型示意圖

圖3 不同工藝下激光清洗提升元件損傷閾值的機理示意圖