紫外氟磷玻璃的高能激光损伤研究进展
2023-12-02
行业新闻
强激光与粒子束
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摘要:
激光驱动惯性约束聚变(ICF),因有望解决全球能源危机问题而备受瞩目。然而,熔石英作为ICF装置终端光学组件中一类重要的功能性紫外元件,其高能激光诱导损伤问题成为限制ICF装置输出能量向更高更强方向发展的关键因素。因此,ICF装置负载能力继续提升对新型高抗强激光损伤紫外元件提出重大应用需求。综述了中国科学院西安光学精密机械研究所研制的紫外氟磷玻璃在高能紫外激光损伤方面的研究现状,并分析了现存的实际问题,最后对高抗损伤紫外氟磷玻璃的发展方向进行了展望。

关键词:
惯性约束聚变、激光诱导损伤、氟磷玻璃

激光驱动惯性约束聚变(ICF)利用上百束高能紫外激光束作为驱动源,对称聚焦于装有聚变燃料(由氢原子的两个同位素氘(D1)和氚(D2)混合而成)的微球靶丸外围,提供高强度能量以压缩氘氚燃料使其燃烧,释放聚变能。这种受控核聚变反应不会产生碳排放和温室气体,并且所使用的氘氚燃料可从海水中无限提取,是获取几乎取之不尽清洁能源的主要途径,因此被公认为是解决能源危机和发展清洁能源的曙光,驱动了世界各国在ICF领域的激烈竞争。

随着高能激光技术的逐步革新,ICF装置的研制得到快速发展。美国作为世界上最早开展ICF装置研制的国家,所建成的“国家点火装置(NIF)”旨在通过192路激光束形成1.8 MJ的聚焦能量,用于触发聚变点火。2021年8月NIF装置取得了里程碑进展:首次实现1.3 MJ的内爆能,距离点火成功目标仅有一步之遥,这一突破性进展将ICF的研究推向了新的高度,也验证了ICF在科学、技术工程上的可行性。

在ICF装置终端光学组件中布局了大量的大口径紫外光学元件。据统计,NIF装置中包含了7648个大口径(0.5~1.0 m)光学元件,其中有15%布局在终端光学组件中,例如用作聚焦透镜、光束取样光栅、衍射光学元件、主屏蔽片的熔石英,用于谐波转换、偏振匀滑的KDP和DKDP晶体等。世界上大部分ICF装置均采用“多程放大传输”设计路线,以神光-ІІІ为例,前端系统产生的纳焦耳(nJ)级1053 nm激光脉冲经“四程放大传输”放大至千焦耳(kJ)级,最终注入终端光学组件中,1053 nm激光被谐波转换器件转换至351 nm,并聚焦至真空靶室,ICF装置终端光学组件是承受三倍频激光能量最高的单元。此外,ICF装置能够实现点火目标的条件是聚变反应释放能量与激光驱动能量盈亏平衡。为了获取清洁且无穷的聚变能,需要输入较高的激光驱动能量,以期实现能量增益大于1,使得用于ICF研究的最终输入激光驱动能量均在千焦耳(kJ)量级,甚至达到了兆焦耳(MJ)级别。

然而,熔石英作为ICF装置终端光学组件中一类重要的功能性元件,由Ce、Fe、Cu、Al等吸收性杂质粒子、非桥接氧空穴中心(NBOHC)等结构性缺陷,以及划痕、裂缝、孔洞等破坏性缺陷引起的激光损伤问题成了ICF装置输出通量进一步提升的瓶颈。即便NIF装置2021年取得了重大突破,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)运营经理Wonterghem依旧认为熔石英等光学元件的抗激光损伤能力是NIF装置平稳运行的关键。因此,位于ICF装置终端光学组件中的熔石英等元件对高能紫外激光的负载能力是确保ICF装置平稳可靠运行且输出通量向更高更强方向发展的关键因素。

为提升熔石英的抗激光损伤性能,衍生出了诸如刻蚀、磁流变抛光、激光预处理等处理工艺以消除熔石英中激光诱导损伤前驱体的含量,以降低激光损伤发生的概率,提升元件的使用寿命。通过其中一种或者多种先进的处理工艺相互结合处理熔石英元件表面,虽然一定程度上能够提升熔石英的紫外激光损伤阈值,然而仍未从根本上彻底解决工程中的熔石英元件激光损伤问题。

开发兼具紫外高透和高紫外激光损伤阈值的光学材料以有效解决熔石英元件的损伤问题,被认为是提升ICF装置的激光输出通量和总体性能的一种创新途径。目前关于紫外高透的光学材料主要有以下几种:氟化物玻璃或晶体、磷酸盐玻璃和氟磷酸盐玻璃。

氟化物晶体或玻璃和磷酸盐玻璃因具有较宽的带隙、宽的透过窗口、低的非线性折射率系数等优点,满足高能激光系统对光学元件高紫外透过率的需求,被认为是新型的紫外激光材料,特别是掺钕磷酸盐玻璃在国内外ICF装置中作为激光产生和放大介质的成功应用,其在基频光处(1053 nm)表现出的优异抗激光损伤特性,折射出磷酸盐基玻璃可作为新型光学元件应用于ICF装置终端光学组件的潜能。但由于氟化物晶体和氟化物玻璃制备条件苛刻,制备出适用于激光聚变工程应用的大尺寸(大于430 mm×430 mm)、高光学质量的光学元件十分困难,另外,磷酸盐玻璃在熔炼制备过程中引入的铂金颗粒使其在紫外三倍频波长区的吸收增加,致使玻璃的抗激光损伤性能骤减,因此它们至今都未能在ICF装置终端光学组件中得到应用。

氟磷酸盐玻璃综合了氟化物玻璃和磷酸盐玻璃的优点,使其较适宜作为高能激光系统的高损伤阈值材料使用。中科院西安光机所开发了一系列新型紫外氟磷玻璃,这些材料兼具三倍频紫外光透过高、抗紫外老化特性良好、紫外激光损伤阈值和损伤增长阈值高于熔石英等优良特性,有望替代熔石英作为激光聚变用新型强激光紫外光学元件。

本文综述了中国科学院西安光学精密机械研究所研制的氟磷酸盐紫外玻璃在高能紫外激光特性、损伤机理、微观缺陷调控方法等方面的研究现状,并分析了现存的实际问题,最后对高抗损伤紫外氟磷玻璃的发展方向进行了展望。

01 紫外氟磷玻璃的性能

1.1   紫外氟磷玻璃的透过性能

如图1所示,中国科学院西安光学精密机械研究所于2016年研制的紫外氟磷玻璃在351 nm处的内透过率(10 mm厚)达到了99.5%,表现出同熔石英相当的高紫外透过性能。并且经351 nm高能激光脉冲辐照500发次后,其三倍频紫外透过率下降量保持稳定(0.66%),表现出良好的抗紫外老化特性。

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图  1  紫外氟磷玻璃的内透过谱和355 nm激光辐照下的强光透过谱

1.2   紫外氟磷玻璃的损伤特性

根据国际标准ISO21254中的1-on-1模式测试了7 mm厚的紫外氟磷玻璃和熔石英元件的紫外激光损伤概率(351 nm,6.8 ns)。两种光学元件在同等条件下进行表面抛光,控制表面粗糙度均低于1 nm,元件未进行镀膜、酸洗等特殊处理。测试结果如图2所示,紫外氟磷玻璃在351 nm处的激光诱导损伤阈值为13.5 J·cm−2,是熔石英激光诱导损伤阈值(6.3 J·cm−2)的2倍之多。进一步对比这两种光学元件的激光诱导损伤增长特性,紫外氟磷玻璃表现出7.8 J·cm−2的损伤增长阈值,同样远高于同等测试条件下熔石英元件的4.2 J·cm−2。随着玻璃制备工艺的不断优化改进,如图3所示,使用同样的测试方法获得2020年研制紫外氟磷玻璃的351 nm激光损伤阈值达到了16.99 J·cm−2(5 ns,10 mm厚)。

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图  2  351 nm激光辐照下的测试元件损伤增长

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图  3  2020年研制的紫外氟磷玻璃的351 nm激光诱导损伤阈值

02 紫外氟磷玻璃的高能激光损伤研究

2.1   紫外氟磷玻璃中的微观缺陷

中国科学院西安光学精密机械研究所研制的紫外氟磷玻璃氟含量较低,因此玻璃的网络结构主要以磷氧四面体连接的磷链为主。玻璃配方组成中添加的部分碱金属和碱土金属成分能够引起主磷链的部分断裂,增加了玻璃中的非桥接氧含量,会形成诸如磷氧空位缺陷中心(POHC)、氧空位缺陷中心(OHC)以及PO2−EC、PO3−EC、PO4−EC等电子缺陷中心,缺陷中心结构示意图如图4所示,这些微观缺陷在紫外至可见光波段产生很大的吸收,是紫外氟磷玻璃中主要的色心缺陷。针对紫外氟磷玻璃中微观缺陷的系统性研究证实玻璃的配方组成、熔制气氛、热处理以及γ射线辐照等因素都能显著影响这些缺陷的含量,进而导致玻璃的紫外吸收特性及激光诱导损伤特性发生变化。

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图  4  紫外氟磷玻璃中POHC、PO4−EC、PO3−EC和PO2−EC缺陷中心结构示意图

2.2   配方组成调控微观缺陷

激光辐照诱导光学元件损伤的核心问题是材料对入射激光的吸收机制。因此通过调控玻璃中位于紫外吸收区的微观缺陷含量,降低材料的紫外吸收能力是提升其抗激光损伤性能的有效途径。调整玻璃中H3BO3和SiO2的配比,获得紫外吸收截止边蓝移的紫外氟磷玻璃,随着玻璃紫外吸收截止边的蓝移,玻璃在351 nm处的透过率依次增加,分别为87.7%(GT1)、90.3%(GT2)、90.4%(GT3)。对应紫外吸收截止边蓝移程度最大的紫外氟磷玻璃(GT3),其351 nm激光损伤阈值最高,为8.7 J·cm−2,其次为GT2玻璃的7.9 J·cm−2和GT1玻璃的6.9 J·cm−2 ,表明紫外吸收截止边蓝移对紫外氟磷玻璃激光损伤阈值有一定的改善作用。

2.3   熔制温度调控微观缺陷

紫外氟磷玻璃中引起紫外光区域相关微观缺陷的产生同样受玻璃熔制工艺的影响。玻璃熔制温度作为熔制工艺过程的重要参数,也可对调控玻璃的紫外吸收截止边起作用。如图5和图6所示,分别以1000 ℃和1200 ℃两种熔制温度制备的紫外氟磷玻璃在355 nm处的内透过率分别为99.5%和99.4%,虽然内透过率数值变化不大,但是随着玻璃熔制温度的降低,紫外氟磷玻璃的紫外吸收截止边呈现约50 nm的蓝移,其对应355 nm激光损伤阈值由14.44 J·cm−2提升至18.32 J·cm−2。

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图  5  不同熔制温度制备的紫外氟磷玻璃内透过率光谱

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图  6  不同熔制温度制备的紫外氟磷玻璃的激光损伤阈值(355 nm, 6.7 ns, 1-on-1)

现有关于光学元件的激光损伤机理主要有热致损伤、电子雪崩、自聚焦损伤等,热致损伤源于光学元件中的缺陷吸收入射的激光能量形成高温高压环境冲击玻璃基质,与元件对入射激光的吸收系数相关;电子雪崩源于元件中自由电子在吸收入射的激光能量后经多次碰撞作用引起元件局部区域电子态密度激增形成冲击波,与元件的禁带宽度有关。调整玻璃的配方组成及熔制温度,均使紫外氟磷玻璃的紫外吸收截止边蓝移,并且截止边的蓝移对玻璃激光诱导损伤阈值的提升起促进作用。紫外氟磷玻璃中由PO3−EC和PO4−EC缺陷引起的吸收决定材料的紫外吸收截止边,玻璃的紫外吸收截止边的蓝移,表明玻璃中PO3−EC和PO4−EC缺陷的含量降低。由于玻璃紫外吸收截止边对应的光子能量被定义为光学带隙(禁带宽度),其越靠近紫外,对应玻璃的禁带宽度越高。因此由PO3−EC和PO4−EC缺陷含量降低引起玻璃紫外吸收截止边蓝移,改善材料激光损伤阈值的内涵包括两方面:第一,玻璃紫外吸收截止边的蓝移,减弱了玻璃对入射紫外高能激光的吸收,这就降低了因热能沉积引起的损伤而提升玻璃的抗激光损伤性能;第二,玻璃紫外吸收截止边的蓝移,导致玻璃的禁带宽度增加,有利于降低电子雪崩发生的概率,玻璃的抗激光损伤性能得以提升。

2.4   退火处理调控微观缺陷

紫外氟磷玻璃中的微观缺陷含量同样也会受热处理工艺的影响。根据玻璃的DSC曲线,以玻璃的转变温度(410 ℃)为退火温度点进行同样长时间(8 h)的保温后,分别采用2、5 、10 ℃/h对紫外氟磷玻璃进行退火处理,对应处理后玻璃的351 nm激光损伤阈值分别为10.3、9.5、8.7 J·cm−2,表明退火精度也能够提升紫外氟磷玻璃的激光损伤阈值。从宏观方面看,由于低降温速率的精密退火处理后降低了玻璃材料中的热应力,削弱了由应力对光的传播波前影响。从微观方面看,精密退火能够在一定程度上改变玻璃的微观结构,减少了玻璃中相关微观结构缺陷,进而因缺陷诱导光吸收能力的降低使玻璃的激光损伤阈值得到提升。

2.5   紫外氟磷玻璃的激光损伤机理研究

在高能紫外激光辐照过程中发现,紫外氟磷玻璃表现出较高激光损伤阈值的同时,还呈现出特殊的体内黄橙色柱状发光现象,并且强激光辐照玻璃诱导发光越强,对应材料的激光损伤阈值越高。进一步研究发现具有某种特定结构的玻璃,才会产生激光诱导发光现象,因此推测紫外氟磷玻璃的高损伤阈值特性与玻璃中的特定微观结构缺陷紧密相关。

使用253、280、350 nm三种高能紫外激光激发所研制的紫外氟磷玻璃,在玻璃中均观察到了分别由PO3−EC和POHC缺陷引起的位于450 nm左右和780 nm左右的两个特征荧光。基于瞬态荧光光谱技术研究的玻璃中位于450 nm左右和780 nm左右两个特征荧光的瞬时衰减过程,如图7所示,表明位于450 nm荧光的衰减过程慢于位于780 nm附近的荧光,计算出玻璃中这两个特征荧光峰的寿命分别为3.508 ms和1.085 ms。进一步对比发现紫外氟磷玻璃两个荧光峰寿命最长,对应地其在351 nm@6.8 ns高能激光作用下的激光损伤阈值也最高,达到了14.44 J·cm−2。

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图  7  紫外氟磷玻璃中450 nm和780 nm特征荧光的动态变化

荧光的量子产率指的是材料辐射荧光的光子数与吸收激光的光子数之间的比值。由于荧光的寿命与量子产率成正比关系,即越长的荧光寿命说明材料释放的吸收能量越多。

基于紫外氟磷玻璃中这种荧光寿命长-激光损伤阈值高的关系,获得了高能紫外激光诱导紫外氟磷玻璃的损伤机理:高能激光辐照诱导紫外氟磷玻璃产生由PO3−EC和POHC缺陷引发的荧光,并且所产生的荧光寿命较长,以“发光”方式释放吸收的激光能量,导致玻璃体内部积累的能量降低,降低了热损伤和机械损伤出现的概率,最终使玻璃的抗激光损伤能力得以提升。

因此,通过优化玻璃的熔制工艺来调节紫外氟磷玻璃中相关微观缺陷的含量是一种可行的调控玻璃抗激光损伤性能的新型途径。通过合适的熔制温度,降低玻璃中紫外吸收缺陷浓度(更低的紫外光吸收系数)、增加玻璃的禁带宽度(更低的雪崩电离发生概率)和荧光发射强度及寿命(更多的吸收能量释放),通过调控这些因素来共同调控增强所研制氟磷玻璃的抗激光损伤性能。

03 目前存在问题

在研究中发现,熔石英的激光诱导损伤主要表现为后表面的熔融损伤,而紫外氟磷玻璃在高能激光作用下一旦发生损伤,会在玻璃中出现由后表面向体内延伸并平行于激光入射方向的丝状损伤。如图8所示,众所周知,光学玻璃体内的丝状损伤与非线性自聚焦效应相关,实验测试紫外氟磷玻璃的非线性折射率n2=1.07×10−13 esu,高于熔石英元件的n2=0.85×10−13 esu,这也进一步说明紫外氟磷玻璃的体内丝状损伤产生原因来自于自聚焦效应。

图  8  紫外氟磷玻璃的351 nm激光损伤

虽然紫外氟磷玻璃的损伤阈值、损伤增长阈值和体损伤阈值均远高于现设计ICF装置的需求能量,但是从未来ICF的实际应用发展方向来说,仍需进一步提高装置的输入激光能量来获得更高的聚变能,从而降低现存ICF装置激光光路的数量以降低装置建设成本。这就对装置中终端光学组件的抗激光损伤性能提出了更高的挑战。另一方面,熔石英的后表面损伤可以通过如CO2激光器的辐照处理进行修复,但是紫外氟磷玻璃的丝状损伤是一种体损伤,一旦形成基本无法修复。因此,无论从紫外氟磷玻璃所面临更优的抗激光损伤性能需求或更久的元件使用寿命两个方面考虑,未来亟需解决玻璃的体内成丝损伤问题。

04 紫外氟磷玻璃的发展方向

紫外氟磷玻璃兼具高的紫外透过及高的紫外激光损伤阈值,在ICF领域具有一定的应用潜力。目前系统地研究了玻璃的激光损伤机理以及激光损伤阈值提升途径,研究成果可为进一步提升玻璃的抗激光损伤性能,进而推动该系列高损伤阈值强激光玻璃在ICF装置中的工程应用指明了发展方向。

首先,在高能激光诱导氟磷玻璃的发光方面,可对玻璃的发光能量进行量化,结合玻璃对入射激光的吸收系数,便能够对沉积在玻璃体内的热能进行量化,“定性”与“定量”并举,进一步阐明高能激光诱导氟磷玻璃发光-玻璃的高损伤阈值特性之间的内在联系,更深层次揭示材料的激光损伤机理。其次,在氟磷玻璃的抗激光损伤性能提升方面,对高能激光诱导紫外氟磷玻璃的损伤研究过程中发现了丝状损伤,表明因玻璃非线性折射率高而引起的成丝损伤是限制玻璃抗激光损伤性能进一步提升的一个关键因素。因此,降低玻璃的非线性折射率,以进一步提升氟磷玻璃的抗激光损伤性能是未来可针对拓展紫外氟磷玻璃性能的发展方向之一。

05 结 论

本文从ICF终端光学组件中熔石英的损伤以及ICF装置输出能量提升和平稳运行对新型紫外光学玻璃的应用需求出发,论述了中国科学院西安光学精密机械研究所研制兼具高紫外透过和高抗损伤性能的紫外氟磷玻璃的应用潜力。通过调整配方组成、熔制温度和退火精度来调控玻璃中的微观缺陷研究,证实了这些方法对提升紫外氟磷玻璃抗激光损伤性能的有效性。但是,由非线性自聚焦效应引起的体内成丝损伤问题,是下一步提升玻璃抗损伤性能需要重点解决的问题。

本文引自:李生武, 万瑞, 马园, 等. 紫外氟磷玻璃的高能激光损伤研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2023, 35: 081002. doi: 10.11884/HPLPB202335.220404

参考文献:

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来源:强激光与粒子束

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