CO2激光光柵式掃描修復熔石英表面缺陷的實驗研究與數值模擬?

蔣勇 賀少勃 袁曉東 王海軍 廖威 呂海兵 劉春明向霞 邱榮 楊永佳 鄭萬國 祖小濤

1)(西南科技大學-中國工程物理研究院激光聚變研究中心極端條件物質特性聯合實驗室,綿陽 621010)

2)(中國工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽 621900)

3)(電子科技大學物理電子學院,成都 610054)

1 引 言

熔石英是高功率固體激光裝置中的重要光學元件之一.然而因元件表面/亞表面的各類拋光缺陷,包括各類劃痕(橫向劃痕、徑向劃痕、赫茲錐形劃痕和“拖尾”劃痕)和拋光點等極易在激光輻照下導致損傷及損傷增長,嚴重影響了元件的使用壽命[1,2].如何提升其抗激光損傷能力,延長其使用壽命是目前的一個研究熱點.迄今為止,國內外科研工作者提出了諸如化學刻蝕[3,4]、等離子體刻蝕[5]、微火焰拋光 (micro- flametorch)[5]和CO2激光處理[6?8]等方式來抑制損傷增長.其中局域CO2激光單點修復被認為是最具有前景的一種抑制損傷增長的方法[7,9,10].但是對于如何消除熔石英元件表面較密集的劃痕和拋光點卻鮮有研究.

CO2激光除對元件表面單個損傷點進行局域處理,提升熔石英元件的抗激光損傷能力之外,還用來對元件進行表面拋光處理[11,12].Temple等[13]最早進行此方面的研究,他們采用CO2激光單道 (single-pass)和多道 (multi-pass)輻照熔石英元件表面,經小光斑 (?=33μm)和大光斑(?=1 mm)激光損傷考核表明,經CO2激光處理后的元件的損傷閾值可以達到元件的體損傷閾值的水平.Brusasco等[11]研究采用波長為10.6μm的CO2激光掃描元件以減少元件初始損傷的數量,實驗表明,經CO2激光掃描的拋光質量非常好和非常差的元件之后,其損傷閾值都可以達到相同的水平.Mendez等[14]采用CO2激光掃描處理熔石英元件表面的微小損傷點,實驗表明大多數損傷點都可以被熔融,然而并不是所有的微損傷都被消除.

基于上述提及的采用CO2激光拋光熔石英元件表面可提升其抗激光損傷能力的機制,局域或全口徑掃描元件表面可能是消除元件表面上各類劃痕和拋光點的一種非常有用的方法.基于這樣的考慮,本文研究采用CO2激光光柵式掃描法處理消除元件表面的各類劃痕和拋光點等缺陷.在得到實驗結果的基礎上,采用有限元方法數值模擬分析光柵式掃描方式消除缺陷的過程及掃描修復參數的合理性和相應的溫度分布規律,以便充分驗證實驗的可行性.最后通過損傷閾值方式來考核掃描效果.

2 實驗過程和方法

熔石英樣品為Corning7980遠紫外光學玻璃,尺寸為60 mm×40 mm×5 mm.樣品采用一定濃度的HF溶液進行刻蝕處理,以充分消除樣品表面的拋光重沉積層和暴露表面缺陷.為更好地進行實驗分析,實驗中選用表面缺陷較多的樣品.同時將樣品分為三個區域,分別標注為區域A,B和C,其中區域A和B為CO2激光輻照區域,區域C為對比區,不進行任何處理.

利用波長為10.6μm,峰值功率為100 W的CO2激光對樣品進行如圖1所示的掃描處理.其中激光器的出口光斑尺寸為3.8 mm±0.2 mm,光斑為空間高斯分布,光束發散角為3 mrad.根據發散角原理,采用刀口法確定所需用的光斑尺寸.因掃描結果取決于CO2激光的功率、光斑尺寸、重疊率、掃描模式和掃描速度等參數,考慮到影響溫度值的參數較多,故首先考慮掃描速度變化這一情況.同時,因實驗中采用的是空間高斯分布的CO2激光光斑,這必然在光斑的峰值位置處有一極值溫度,即光斑中心輻照的材料表面區域的溫度可能已經達到熔融溫度,而光斑邊緣處的溫度值卻仍然較低.實驗結果表明,當掃描時兩個掃描路徑間光斑的重疊率達到85%時,可很好地避免掃描過程中溫度不均的情況.同時為進一步提升掃描效率,光斑的尺寸越大,掃描的效率更高.結合實驗中所采用的激光器的峰值功率為100 W,實驗中CO2激光光斑直徑為7 mm.研究結果表明,對掃描對象的預熱過程可有效地降低殘余應力值[15].因此掃描時首先采用較小的功率(20 W)輻照熔石英元件,然后每次以20 W的功率逐漸增加至80 W,并在此功率下多次作用元件表面,直至在線觀察到元件表面的缺陷被消除.同時為避免掃描過程中熱傳導作用對鄰近局域的影響,實驗中在掃描完一個局域后,使樣品在空氣環境中冷卻至常溫后,再對另一個區域進行掃描輻照處理.

為測試修復效果,實驗中采用波長為355 nm,脈寬為6.3 ns的Nd:YAG激光器測試基底、缺陷和修復處理的缺陷的損傷閾值.采用Spiricon光斑分析儀測得輻照至元件后表面的光斑面積為0.23 mm2(1/e2),形貌為空間高斯分布.損傷閾值測試方式為R/1.實驗前采用原子力顯微鏡測量各類劃痕的特征,同時采用暗場成像和光學顯微鏡原位觀察元件處理前后表面缺陷的變化規律.

3 實驗結果

圖2為一具有代表性的樣品在經HF溶液刻蝕后的暗場圖.可以看出,樣品表面存在大量獨立或相互交錯的各種尺寸的劃痕和拋光點,劃痕長度已經達到厘米級.圖3為圖2中方框處各類典型劃痕的光學顯微圖,圖3(a)—(c)分別為徑向劃痕、赫茲錐形劃痕和橫向劃痕.原子力顯微鏡測量得到各類劃痕的深度和寬度表明,橫向劃痕的深度和寬度值最大,其橫向尺寸已經超過15μm,但深度沒有超過2μm.

圖1 掃描模式示意圖

圖2 刻蝕樣品的暗場圖

經CO2激光處理后樣品的暗場如圖4所示.圖中左邊部分(區域A)和右邊部分(區域B)的掃描速度分別為18 cm/min和24 cm/min.每個區域的總掃描次數為七次,其中以80 W的功率掃描四次.從圖中可以清楚地看出,區域A中無明顯的亮點,這表明該區域中所有的劃痕和拋光點都已經被消除.相比之下,區域B中仍可以看到一些明顯的亮點,這說明部分劃痕和拋光點并未被完全去除.圖4中矩形方框的光學顯微圖分別如圖5(a)和(b)所示,這是對圖2(b)和(c)中劃痕處理后的原位拍攝圖像.可以清楚看到,大量小尺寸的赫茲錐形劃痕已經被完全消除.但是,部分尺寸稍大的且深度較深的劃痕未被完全消除.從圖中可以看出,這些未被修復完的劃痕僅僅是表面處的劃痕被熔融,并將劃痕包裹.

圖3 圖2方框中相應缺陷的光學顯微圖 (a)徑向劃痕;(b)赫茲錐形劃痕;(c)橫向劃痕

再次觀察圖4中的赫茲錐形劃痕和橫向劃痕可觀察到一個有趣的現象.橫向劃痕已完全被修復,暗場中的亮點都是由未完全修復的赫茲錐形劃痕所引起的.導致這樣的現象可以歸因于赫茲劃痕形貌特點,其裂紋總是與表面形成一定的角度,這個角度的范圍通常為21.5?到 45?[16,17].由于角度的原因,導致CO2激光輻照過程中未能很好地將激光能量沉積到裂紋底部.

圖4 經CO2激光掃描處理后樣品的暗場圖

圖5 圖4方框中相應修復后缺陷的光學顯微圖 (a)赫茲錐形劃痕;(b)橫向劃痕

4 修復過程的理論分析

為進一步了解CO2激光掃描修復元件表面劃痕和拋光的原理及規律,采用有限元軟件Ansys,基于有限元理論模擬CO2激光輻照元件表面時的溫度分布規律.同時為更好地分析實驗結果,研究中建立三維熱傳導模型進行模擬計算.

4.1 熱傳導方程

CO2激光掃描熔石英光學元件屬于移動熱源問題的三維熱傳導過程.為數值求解這個問題,假設CO2激光速度V沿元件的y方向運動,如圖1所示.熱能主要通過傳導過程進行傳遞,熱傳導方程可以表示為[18,19]

其中ρ為密度,C為比熱容,K(T)為熔石英材料的熱傳導系數.

熔石英材料對CO2激光的高吸收率,即在表面幾個微米之內就將能量完全吸收[19],因此CO2激光可以視為一個表面熱源.與此同時,因元件表面對激光具有一定的反射作用,表面熱源則可以表示為

其中r0為1/e2光斑半徑,P為激光功率,R為表面反射率,對于熔石英而言,R約為0.85;α為吸收系數.

4.2 模型及網格劃分

整個模型的尺寸為40 mm×20 mm×5 mm,即實驗樣品尺寸的三分之一.為提高模擬精度,采用具有20節點的solid90單元,同時采用surf152為作用表面對流的加載對象.因熔石英材料對CO2激光能量的吸收深度較小,為保證輻照區域的模擬精度,對模型采用非均勻網格劃分方式.即CO2激光輻照區域的網格尺寸較非輻照區域的網格尺寸更小.如圖6所示.第一次網格劃分時的單元尺寸都相同,然后對激光輻照區域再進行進一步的細化,這既保證了模擬精度,又節省了計算機資源,減少了模擬時間.

4.3 材料物性參數及假設

熔石英材料的熱物性參數直接影響了模擬得到的溫度值,同時適當的假設條件可以保證模擬的效率.因此在模擬過程中做了如下假設:

1)熔石英材料視為均勻且各向同性的;

2)忽略材料的相變、潛熱及蒸發過程;

3)初始溫度為常溫,即25?C;

4)考慮對流傳導作用,其在25?C的系數為10 W·m?2·?C?1;

圖6 網格模型示意圖

5)熔石英材料的熱傳導率和比熱容等各項物性參數都是溫度的函數,材料的密度為常數.模擬中材料的密度為2200 kg/cm3,而熱傳導率K(T)隨溫度的變化規律如(3)式所示,比熱容C(T)隨溫度的變化規律如(4)式所示[18].

5 模擬結果

模擬參數完全依據實驗所得的參數,即作用的CO2激光光斑尺寸為7 mm,激光功率從20 W 開始,然后每次以20 W的功率遞增至80 W,然后在此功率下多次輻照元件,直至觀察到元件表面有充分的熔融情況為止.圖7為最后一次功率為80 W的CO2激光掃描元件時,激光光斑經過圖6所示P點位置時的三維溫度分布圖.可以看出,光斑中心是溫度最高的位置,而非掃描區域溫度則迅速下降.圖8給出了實驗中兩個掃描速度分別作用于熔石英表面時,P點處溫度隨時間的變化規律.在每次掃描過程中,P點處的最高溫度值標注于圖中的相應位置.

從圖7和圖8可以看出,當激光光斑經過P點時,此處的溫度就急劇地上升;當激光光斑離開P點時,溫度又迅速下降.由于相鄰兩個掃描路徑存在光斑重疊,當激光光斑的邊緣再次經過此處時,溫度又再次升高,但上升的幅度小于光斑中心經過該處時的溫度值,因此最終就導致了每一次完整掃描后P點處的溫度呈鋸齒狀分布.且從圖8中可以看出,P點處溫度在隨時間的變化過程中,整體溫度都在隨輻照功率的增加而增加.換言之,P點處的溫度隨輻照次數的增加而增加,這意味著掃描使得元件整體溫度提升.

圖7 3D溫度分布圖

熔石英材料的軟化點、熔化點和氣化點溫度分別為1858 K,2300 K和3180 K[9,18].Bouchut等[20]的研究表明,當溫度達到軟化點附近時,CO2激光與熔石英材料相互作用的現象變化就明顯.當元件表面達到1900 K時,熔石英材料的黏度急劇下降,同時輻照周圍的氣壓快速上升[18].結合如圖8(a)所示模擬結果,對于區域A當掃描速度為18 cm/min的模擬結果而言,當第一個功率為80 W的CO2激光作用到P點時,此時的最高溫度為2028 K,溫度就已經達到軟化點.當第二個功率為80 W的CO2激光輻照元件表面時,表面的最高溫度已經達到了2246 K,這已經非常接近材料的熔點,這意味著表面材料開始軟化.在后續的第三次和第四次過程中,多次最高溫度達到或超過2300 K,此時熔石英的黏度已經變小,也就意味著缺陷和拋光點被多次熔融,以致最終被修復.

圖8 不同掃描速度時溫度隨時間的變化規律(a)18 cm/min;(b)24 cm/min

如圖8(b)所示,在第一次80 W功率的CO2激光掃描時,元件表面的溫度雖也達到了軟化點,但此時的溫度比區域A中第一次80 W作用時得到的溫度低.同時由于掃描速度過快的原因,在多次80 W的功率的輻照過程中,表面溫度達到或超過2300 K的次數不夠.這意味著一些較大尺寸缺陷和劃痕并沒有被充分地熔化和修復.如果再一次使用功率為80 W的CO2激光作用于這些未被完全修復的劃痕時,可被完全修復,但掃描次數過多會導致更大的應力和更糟糕的面形,甚至導致元件的不可用.這說明當其他參數一致時,掃描速度對元件表面溫升的重要性.

P點處溫度隨深度的變化規律如圖9所示.圖9(a)和(b)的掃描速度分布為18 cm/min和24 cm/min.可以看出,無論多大功率的CO2激光作用于元件表面時,在小于2 mm深度范圍內的溫度下降非常迅速,而在大于2 mm深度的溫度分布變得非常緩和,此時的溫度可視為元件的基底溫度.與此同時,由圖9可以看出,隨著輻照功率的增加,其導致基底溫升的幅度就變得越小.當元件表面溫度達到熔融點時,基底的溫度已經達到或者超過了1500 K,這也是選擇多次掃描處理最重要的目的之一.整個元件達到一定的溫度值,不但可以修復缺陷和劃痕,而且可以有效地減小元件熱輻照后的殘余應力值.

圖9 溫度和深度的關系掃描速度分別為(a)18 cm/min和(b)24 cm/min

6 損傷考核

為驗證修復效果,分別測試區域A,B和C的激光誘導損傷閾值(LIDT).對于未做任何處理的區域C,無缺陷的基底、徑向劃痕、橫向劃痕和赫茲錐形劃痕的LIDT分別為9.5,6.3,5.5和4.6 J/cm2,可以看出徑向劃痕的損傷閾值高于其他兩種劃痕的損傷閾值,但都低于基底的損傷閾值.對于區域A,因劃痕和拋光點完全被修復,該區域的LIDT都達到或超過9.8 J/cm2,可以認為被完全修復的劃痕的LIDT至少比劃痕的損傷閾值高3 J/cm2.對于區域B,劃痕和拋光點完全被修復的區域的LIDT都達到或超過了9.4 J/cm2.對于未被完全修復的點的劃痕,仍然是最容易導致損傷的位置,如圖10所示.但即使如此,其LIDT也達到6.9 J/cm2,遠高于未做任何處理的赫茲錐形劃痕.可以看出,雖然一些劃痕未被完全修復,但其抗激光損傷能力也得到有效提升.同時,實驗結果也表明,該掃描過程對于元件表面任何類型的缺陷的去除效果都相同.因此,對于表面質量較差或者局域有較多劃痕的區域,都可以采用此方法來提升其抗激光損傷能力.

圖10 修復后再次損傷的光學顯微圖

7 結 論

本文研究了采用CO2激光光柵式掃描方法消除熔石英光學表面劃痕和拋光點等缺陷,并采用有限元方法模擬掃描過程中溫度分布規律,從理論上分析了修復CO2激光對缺陷的修復過程.實驗結果表明,通過多次掃描,在其他參數不變的情況下,掃描速度是影響掃描效果的重要因素.同時實驗表明,通過CO2激光光柵式掃描,可以有效地消除元件表面的缺陷和拋光點,處理后元件的損傷閾值可以達到或超過無缺陷基底的損傷閾值,有效地提升了元件的抗激光損傷能力,達到延長元件使用壽命的目的.這是一種解決元件表面密集劃痕和拋光點的新方法.但是,由于修復參數包括激光功率、光斑尺寸、掃描速度等多個參數,而本文僅研究了掃描速度對元件表面缺陷和拋光點的去除效果,其他因素也是影響修復效果的重要因素,因而需要進一步的研究.

[1]Bercegol H,Grua P 2008 Proc.of SPIE 7132 71321B

[2]Liu H J,Zhou X D,Huang J,Wang F R,Jiang X D,Huang J,Wu W D,Zheng W G 2011 Acta Phys.Sin.60 065202(in Chinese)[劉紅婕,周信達,黃進,王鳳蕊,蔣曉東,黃競,吳衛東,鄭萬國2011物理學報60 065202]

[3]Bouchut P,Garrec P,Pelle C 2003 Proc.of SPIE 4932 103

[4]Wang F R,Huang J,Liu H J,Zhou X D,Jiang X D,Wu W D,Zheng W G 2010 Acta Phys.Sin 59 5122(in Chinese)[王鳳蕊,黃進,劉紅婕,周信達,蔣曉東,吳衛東,鄭萬國2010物理學報59 5122]

[5]Hrubesh L W,Norton M A,Molander W A,Donohue E E,Maricle S M,Penetrante B M,Brusasco R M,Grundler W,Butler J A,Carr J W,Hill R M,Summers L J,Feit M D,Rubenchik A,Key M H,Wegner P J,Burnham A K,Hackel L A,Kozlowski M R 2002 Proc.of SPIE 4679 23

[6]Brusasco R M,Penetrante B M,Butler J A,Hrubesh L W 2001 Proc.of SPIE 4679 40

[7]Guss G,Bass I,Draggoo V,Hackel R,Payne S,Lancaster M,Mak P 2007 Proc.of SPIE 6403 64030M

[8]Jiang Y,Xiang X,Liu C M,Luo C S,Wang H J,Yuan X D,He S B,Ren W,Lü H Bi,Zheng W G,Zu X T 2012 Chin.Phys.B 21 064219

[9]Mendez E,Nowak K M,Baker H J,Villarreal F J,Hall D R 2006 Appl.Opt.45 5358

[10]Bouchut P,Delrive L,Decruppe Dl,Garrec P 2004 Proc.of SPIE 5252 122

[11]Brusasco R M,Penetrante B M,Butler J A,Maricle S M,Peterson J E 2002 Proc.of SPIE 4697 34

[12]Nowak K M,Baker H J,Hall D R 2006 Appl.Opt.45 162

[13]Temple P A,Lowdermilk W H,Milam D 1982 Appl.Opt.21 3249

[14]Mendez E,Baker H J,Nowak K M,Villarreal F,Hall D R 2005 Proc.of SPIE 5647 165

[15]Xiao Y M,Bass M 1983 Appl.Opt.22 2933

[16]Wong L,Suratwala T,Feit M D,Miller P E,Steele R 2009 J.Non-Cryst.Sol.355 797

[17]Genin F Y,Salleo A,Pistor T V,Chase L L 2001 J.Opt.Soc.Am.A 18 2607

[18]Zhao J,Sullivan J,Zayac J,Bennett T D 2004 J.Appl.Phys.95 5475

[19]Yang S T,Matthews M J,Elhadj S,Cooke D,Guss G M,Draggoo V G,Wegner P L J 2010 Appl.Opt.49 2606

[20]Bouchut P,Decruppe D,Delrive L 2004 J.Appl.Phys.96 3221