高损伤阈值氟磷酸盐玻璃的研究

来源 :中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:whitejet
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随着激光向高能、高频方向的发展,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及一些反射膜、增透膜材料都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。本论文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磷酸盐玻璃作为高能激光窗口材料应用的可能。文中以氟磷酸盐为基础,分别研究了三倍频高透玻璃、基频吸收玻璃、二倍频吸收玻璃。通过紫外分光光度计、折射率分析仪、差热分析、强激光透过率测试、损伤阈值测试对玻璃的基本性能及影响玻璃损伤阈值的因素进行了分析,同时通过发光光谱测试、高速摄影对玻璃的损伤机理进行了研究,并提出了氟磷酸盐玻璃的损伤模型。具体的研究内容和研究结果如下:(1)制备了一种热稳定性好、三倍频透过性优良的氟磷酸盐玻璃,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,对三倍频高透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,三倍频高透玻璃在三倍频ns级激光下的损伤阈值为13.6J/cm2,是相同加工、测试条件下的石英玻璃的2.2倍。(2)通过向氟磷玻璃体系中添加Fe2+吸收离子,获得了一种热稳定性好、三倍频高透/基频强吸收的玻璃。研究了材料在强激光下的透过率,结果表明玻璃在351nm、1053nm强激光作用下,玻璃的透过率稳定,不因激光功率的改变而改变,也不以激光辐照次数的增多而改变。对基频吸收玻璃在ns级激光下的损伤性能进行了研究,基频吸收玻璃在三倍频的0概率损伤阈值为12.5J/cm2,是相同加工测试条件下石英玻璃的2倍;基频激光下的0概率损伤阈值为36.6J/cm2。研究了基频吸收玻璃中添加吸收离子对玻璃损伤性能的影响,结果表明玻璃中吸收离子的添加对玻璃在三倍频的激光损伤阈值影响较小,对玻璃在基频的损伤阈值影响较大,但阈值仍能达到32.5J/cm2,不影响玻璃作为基频吸收元件使用。(3)通过向氟磷玻璃体系中添加Co2+吸收离子,获得了一种热稳定性好、三倍频高透/二倍频强吸收的玻璃。研究了玻璃强激光作用下的透过率,结果表明玻璃在351nm、527nm强激光作用下,玻璃的透过率稳定,不因激光功率的改变而改变,也不以激光辐照次数的增多而改变。对二倍频吸收玻璃在ns级激光下的损伤性能进行了研究,二倍频吸收玻璃在三倍频的0概率损伤阈值为12.7J/cm2,是相同加工测试条件下石英玻璃的2.05倍;二倍频光下的0概率损伤阈值结果为17.7J/cm2。研究了二倍频吸收玻璃中添加吸收离子对玻璃损伤性能的影响,结果表明玻璃中吸收离子的添加对玻璃在三倍频的激光损伤阈值影响较小,对玻璃在二倍频的损伤阈值影响较大,但仍能达到15.1J/cm2,同样不影响玻璃作为二倍频吸收元件使用。(4)通过对玻璃损伤现象及强激光下体内发光现象的研究,提出了氟磷酸盐玻璃热致损伤模型、电致伸缩超声模型和自聚焦损伤模型。通过光胶实验、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。同时利用三种模型,很好地解释了玻璃后表面先损伤、减反膜对损伤阈值无影响、厚度越大损伤阈值越低、氟磷酸盐玻璃成丝损伤现象以及两种吸收材料在相应的吸收波长激光辐照下的损伤现象的机理。
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