[发明专利]一种基于惰性离子注入法提升熔石英损伤阈值的方法

说明书

本发明公开了一种基于惰性离子注入法提升熔石英损伤阈值的方法，具体操作流程为：用去离子水冲洗光学抛光后的熔石英元件，然后将元件放入无水乙醇中进行超声清洗；元件清洗完成后，用HF‑NH₄F缓冲溶液对其进行刻蚀处理，再先后用去离子水和无水乙醇清洗刻蚀后的元件；最后用能量为10keV～50keV的含能惰性离子束对元件进行离子注入处理，注量为1×10¹⁶ions/cm²～5×10¹⁷ions/cm²。采用本发明的方法，可有效解决常规方法很难在熔石英表面形成压应力层的技术问题，以进一步提升元件的激光损伤阈值。

技术领域

本发明属于光学元件制造技术领域，具体涉及一种基于惰性离子注入法提升熔石英损伤阈值的方法。

背景技术

熔石英材料硬度高，热膨胀系数低，耐高温，化学稳定性好，透紫外-可见-红外光，具有良好的热学、光学和机械性能，是强激光光学元件的首选材料，广泛应用于大型高功率激光系统用于制作紫外光学元件，如屏蔽片、取样光栅、聚焦透镜等。但是在高通量紫外激光辐照下，熔石英元件易于损伤，且在后续脉冲激光作用下呈指数增长，这严重的影响了光学元件的性能和使用寿命。熔石英元件的抗激光损伤能力，尤其是三倍频紫外激光作用下的负载能力，在很大程度上决定了激光装置的负载能力。因此，提升熔石英元件的抗激光性能，延长其使用寿命，可降低装置的运行成本，具有重要的经济意义。

目前，提升熔石英元件抗激光损伤强度的方法主要包括磁流变抛光、氢氟酸刻蚀、离子束刻蚀、激光预处理、二氧化碳激光修复等，虽然这些方法能够有效的提升熔石英元件的激光损伤阈值，但是主要是针对表面抛光沉积层和杂质的去除、亚表面缺陷的钝化或去除、表面损伤点的修复，很少有人从力学的角度来改善熔石英元件的抗激光损伤性能，在元件表面施加压应力，抑制微缺陷的扩展，提升机械性能，强化表面，可以进一步提升元件的激光损伤阈值，最大限度的延长熔石英元件的使用寿命。

目前国内外报道中，在玻璃表面加载压应力的方法分为化学增强法和物理增强法。化学增强法主要表现为离子交换增强法，将玻璃浸入到熔融盐当中，离子扩散发生交换，形成离子交换层，由于挤塞或热膨胀系数的差异促使表面形成压应力，以提高玻璃的强度，但是熔石英具有高纯度化学组分，没有可替代的小离子，因此，离子交换法很难在熔石英表面形成压应力。物理方法主要包括镀膜法、表面熔融强化、表面淬火及施加机械外力等。镀膜法能够在玻璃表面涂覆一层低膨胀系数的材料，从而产生压应力增强表面，但是引入了其他组分的材料，相当于在熔石英元件中引入了杂质，对光具有较强的吸收，将降低元件的激光损伤阈值；表面熔融强化是通过加热元件表面层或涂覆在元件表面的材料熔化，或将融化了的材料熔覆在元件表面，随后冷却凝固成表面强化层，由于熔石英的热膨胀系数较低，此外，只能在熔石英元件表面熔覆SiO₂材质，但是SiO₂膜或SiO₂纳米粉的熔点远低于体材料，因此，不能够将其同熔石英熔融结合形成强化层；表面淬火是将玻璃加热至应变温度以上，保持一定时间，然后快速冷却以获得压应力层，同样由于熔石英具有较低的热膨胀系数，很难形成强化层；施加机械外力虽然能够在熔石英元件表面产生压应力层，但是对于大口径的光学元件的精密装校带来了很大困难，也影响元件的在线使用。

高功率激光装置中使用的熔石英元件具有高纯的化学组分，较低的热膨胀系数，通常大多数方法不易或不宜在其表面形成压应力层，因此，需要寻找一种能够在熔石英元件表面形成稳定压应力，抑制微缺陷的扩展，提升表面的力学性能，从而有效的提升熔石英元件的损伤阈值。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种基于惰性离子注入法提升熔石英损伤阈值的方法，以解决常规方法很难在熔石英表面形成压应力层的技术问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种基于惰性离子注入法提升熔石英损伤阈值的方法，包括以下步骤：