机械研究生论文提纲

论文题目：氟化钙晶体紫外激光诱导损伤特性与阈值提升技术研究

摘要：目前,世界上最大的高功率激光装置是美国的国家点火装置,其目的是通过192路高通量激光光束来实现聚变点火。但经过多年的装置建设与相关研究,该装置仍未点火成功。相关调查结论表明,熔石英元件的紫外激光诱导损伤问题是制约聚变点火成功的主要因素。在目前工艺条件下,大口径熔石英强光元件的损伤阈值仅为8J/cm~2,远无法满足点火需求。为了进一步提升激光器的输出能量,需要解决光学元件的激光损伤问题。氟化钙晶体是一种性能优异的光学材料,对比熔石英材料,其抗损伤能力强,用氟化钙材料替代熔石英材料,有望提升高功率激光装置的输出水平。氟化钙是一种软脆晶体材料,在研磨抛光的过程中,表面容易残留划痕、污染杂质等缺陷,这些缺陷的存在使氟化钙元件损伤阈值远远低于其本征损伤阈值。为了解决这一问题,本文以氟化钙表面缺陷为研究对象,重点研究划痕和杂质污染对氟化钙晶体紫外激光诱导损伤特性,为氟化钙晶体加工工艺提供理论指导。最终,形成磁流变抛光-动态酸刻蚀-等离子体清洗的组合工艺路线,大幅提升了氟化钙元件的抗损伤性能。本文的主要研究内容包括:（1）利用原子力显微镜测观划痕形貌,建立划痕的几何模型。通过三维FDTD仿真,分析了不同几何形貌的微纳尺度划痕对入射激光的调制作用。发现,相比于径向划痕和连续坑点状划痕,赫兹锥形划痕的光场调制作用最强。基于Mie散射理论和热稳态传热方程,可以得出纳米尺度杂质在紫外激光辐照下的吸热量。对磁流变抛光后引入的典型表面污染:铁和氧化铈,进行计算,结果表明,污染杂质稳态温度可以达到10000℃以上,远远超过氟化钙晶体的熔点。从机理上阐述了缺陷在紫外激光辐照下诱导损伤特性。并且对比熔石英与氟化钙缺陷诱导损伤特性,以此对加工过程中表面污染元素残留水平以及划痕缺陷的控制提出要求。（2）研究化学机械抛光与磁流变抛光对表面划痕缺陷的作用规律。相比于传统的机械抛光,化学机械抛光与磁流变抛光在去除表面材料时不会引入新的破碎性缺陷。化学机械抛光的加工效率低,并且无法应用于复杂面形的光学元件加工,因此在组合工艺路线中选择磁流变抛光去除表面划痕。在磁流变抛光实验中发现磁流变抛光对划痕缺陷的钝化作用。通过仿真,发现磁流变抛光有效降低划痕的光场调制作用。这提升元件的损伤阈值。但是磁流变抛光引入的金属污染物限制了损伤阈值的进一步提升。（3）对酸刻蚀工艺以及等离子体清洗工艺展开优化,形成磁流变抛光-动态酸刻蚀-等离子体清洗组合工艺路线,组合工艺有效去除了机械抛光产生的划痕并且抑制了磁流变加工引入的表面污染,阈值测试结果显示组合工艺下氟化钙的抗激光损伤能力大幅度提升,元件的零概率损伤阈值达到了14.7 J/cm~2。

关键词：氟化钙;激光诱导损伤;阈值提升技术;损伤前驱体;组合工艺

学科专业：机械工程

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题来源及意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状概述

1.2.1 氟化钙晶体本征损伤

1.2.2 加工缺陷诱导损伤机理

1.2.3 氟化钙低损伤加工方法

1.3 论文主要研究内容

第二章 微纳尺度加工缺陷诱导损伤机理

2.1 微纳尺度划痕诱导损伤机理

2.1.1 微纳尺度划痕检测表征与几何模型

2.1.2 划痕光场调制作用的三维FDTD仿真

2.2 微纳尺度污染诱导损伤机理

2.3 熔石英与氟化钙缺陷诱导激光损伤特性对比

2.4 本章小结

第三章 表面划痕的抑制与损伤阈值提升

3.1 氟化钙化学机械抛光去除划痕

3.2 氟化钙磁流变抛光钝化划痕

3.1.1 磁流变对划痕的钝化作用

3.1.2 磁流变钝化划痕的光场调制规律

3.3 损伤阈值测试

3.4 本章小结

第四章 后处理工艺研究与组合工艺实验

4.1 氟化钙酸刻蚀机理与操作流程

4.2 氟化钙酸刻蚀工艺优化

4.3 氟化钙等离子体清洗工艺优化

4.4 组合工艺实验与阈值测试

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献