超强激光科学卓越创新简报

(第五百二十九期)

2024年7月4日

上海光机所在激光清洗提升熔石英元件损伤阈值研究中取得新进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部研究团队在激光清洗提升熔石英元件损伤阈值研究中取得新进展。研究首次提出了利用微秒脉冲CO₂激光清洗提升熔石英元件的抗损伤性能。相关研究成果以“Microsecond-pulsed CO₂ laser cleaning of high damage threshold fused silica”为题发表于International Journal of Mechanical Sciences。

伴随着现代光学技术的发展，熔石英元件紫外激光诱导损伤问题严重制约了高功率激光系统的发展。目前接触式研抛工艺不可避免产生缺陷及污染，且难以通过后处理完全去除，大大降低了熔石英元件使用性能和寿命。

为此，研究团队通过宏观-微观-纳观的多尺度模拟方法，揭示了缺陷和污染对元件损伤性能的调制机理。通过多模态表征缺陷及污染的分布规律，印证了激光清洗可以有效地消除和抑制表面/亚表面缺陷、吸收型缺陷、化学结构缺陷和元素污染，不会产生残余热应力、严重破坏材料表面粗糙度。激光清洗后的样品与传统加工工艺下的样品（机械化学抛光、机械化学抛光+磁流变抛光、机械化学抛光+氢氟酸刻蚀）相对比，显示出更高的损伤阈值，0%概率下的损伤阈值最高提升了47.6%，100%概率下的损伤阈值最高提升了27.0%。本研究提出的激光清洗方法为熔石英元件的低缺陷、清洁制造提供了全新思路。

相关工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、上海市扬帆计划等基金的支持。

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图1 微秒脉冲CO₂激光清洗原理及实验示意图

图2 宏观-微观-纳观多尺度仿真模型示意图

图3 不同工艺下激光清洗提升元件损伤阈值的机理示意图