一种基于前置偏折结构的熔石英光学元件后表面损伤增长抑制方法

本发明涉及高功率激光光学元件损伤抑制与激光微加工，具体涉及一种基于前置偏折结构的熔石英光学元件后表面损伤增长抑制方法。

背景技术：

1、熔石英、石英玻璃及其他透明光学材料具有良好的透射率、化学稳定性和抗激光辐照性能，被广泛应用于高功率激光系统中的窗口片、透镜和屏蔽片等关键光学元件中。在高功率激光长期运行过程中，光学元件表面容易产生烧蚀坑、微裂纹、凹坑等损伤缺陷。尤其是后表面烧蚀坑，在后续激光持续辐照下容易进一步吸收能量并扩大，导致光学元件损伤加剧恶化，影响激光装置稳定运行。

2、现有技术中，针对光学元件表面烧蚀坑的处理方法主要包括co2激光熔融修复、co2激光蒸发修复、机械抛光修复以及增材填充修复等。上述方法大多直接作用于损伤区域本身，通过去除、熔融或填充损伤区域实现修复。但是，对于已经形成在光学元件后表面的烧蚀坑，直接修复可能难以控制修复坑形貌、造成二次损伤、产生热影响。

3、飞秒激光具有脉冲宽度短、峰值功率高、热影响区小和空间加工精度高等特点，适合在透明光学材料表面制备微小结构。本发明利用工作激光在光学元件前表面制备具有偏折功能的前置偏折结构，使后续入射激光经过该修复结构后发生偏折，从而在后表面损伤区形成弱光强阴影区。与传统直接修复后表面损伤的方式不同，本发明通过改变入射光的传播路径来减少损伤区的激光辐射，从而抑制损伤的恶化和扩展。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于前置偏折结构的熔石英光学元件后表面损伤增长抑制方法，以解决现有技术中后表面损伤区在后续激光辐照下继续扩大、直接修复难度大、容易产生二次损伤或修复形貌难以控制的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于前置偏折结构的熔石英光学元件后表面损伤增长抑制方法，包括以下步骤：

4、s1：以工作激光入射熔石英光学元件的表面为前表面，与前表面相对的表面为后表面；检测后表面的损伤区，获得损伤区的位置、投影范围和尺寸，并获取熔石英光学元件的厚度和折射率、工作激光的入射方向、光斑尺寸及能量密度分布；

5、s2：获取损伤区在相应工作激光辐照条件下的损伤增长阈值；根据损伤区的位置、投影范围和尺寸、熔石英光学元件的厚度和折射率、工作激光的入射方向、光斑尺寸及能量密度分布，以工作激光经前置偏折结构后在损伤区投影范围内的最大激光能量密度不高于损伤增长阈值为约束，确定前置偏折结构在前表面的位置、结构类型和几何参数；

6、s3：根据前置偏折结构的位置和几何参数，采用脉冲激光对前表面进行扫描加工形成前置偏折结构；所述前置偏折结构具有至少一个用于改变工作激光传播方向的倾斜折射面；

7、s4：将工作激光从前表面射入熔石英光学元件，所述工作激光经前置偏折结构的倾斜折射面发生折射偏移，并传输至后表面。

8、为优化上述技术方案，采取的具体限定还包括：

9、在步骤s1中，所述损伤区的检测采用显微成像系统、ccd成像系统、共聚焦显微镜、白光干涉仪、表面轮廓仪或暗场散射检测系统中的至少一种检测方法进行检测。

10、作为优选地，在步骤s2中，在与工作激光相同的波长、脉冲宽度、光斑尺寸、入射角和辐照脉冲数条件下，通过阶梯能量辐照试验确定所述损伤增长阈值。

11、进一步地，根据所述损伤增长阈值确定安全能量密度，所述安全能量密度为工作激光经前置偏折结构后允许出现在损伤区投影范围内的最大激光能量密度；所述安全能量密度满足：

12、

13、其中，为安全能量密度，为损伤增长阈值，为损伤区在后表面上的投影范围，为后表面上坐标处的激光能量密度。

14、进一步地，所述前置偏折结构为锥形、高斯型、抛物线型、半球型或者由多个倾斜折射面组成的复合偏折结构。

15、作为优选地，所述前置偏折结构的结构宽度为50～1000μm，结构深度为5～500μm，所述倾斜折射面与前表面之间的夹角为0.5°~25°。

16、作为优选地，所述前置偏折结构为对称锥形结构或者由两个对称倾斜折射面组成的v形结构，其结构宽度、结构深度和倾斜折射面倾角满足：

17、

18、其中，为倾斜折射面与前表面之间的夹角，为前置偏折结构的最大深度，为前置偏折结构的开口宽度。

19、作为优选地，所述工作激光垂直入射所述前表面，所述工作激光经倾斜折射面折射后的折射角、偏转角和横向偏移量满足：

20、

21、

22、；

23、其中，为工作激光在倾斜折射面处的折射角，为外部介质的折射率，为熔石英光学元件的折射率，为倾斜折射面与前表面之间的夹角；为工作激光相对于前表面法线方向的偏转角；为工作激光到达后表面时相对于原传播路径的横向偏移量，为熔石英光学元件的厚度，为前置偏折结构的最大深度，为损伤区的等效半径，为安全裕量。

24、进一步地，步骤s3中，将前置偏折结构沿深度方向划分为多个加工层，采用脉冲激光依次对各加工层进行同心扫描、往复扫描或交叉扫描；相邻扫描轨迹的间距为1～10μm，单层材料去除深度为0.1～2μm。

25、进一步地，当后表面存在多个损伤区时，根据各损伤区的位置和尺寸，在前表面分别形成与各损伤区对应的多个前置偏折结构，或者在前表面形成覆盖多个损伤区的复合偏折结构。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、本发明提供的基于前置偏折结构的熔石英光学元件后表面损伤增长抑制方法，通过在熔石英光学元件的前表面加工形成具有倾斜折射面的前置偏折结构，改变工作激光在熔石英光学元件内的传播方向，使后表面损伤区处于能量密度不高于损伤增长阈值的区域内，减少工作激光对后表面损伤区的持续辐照，解决了后表面损伤区在后续激光辐照下容易继续增长以及直接处理损伤区容易产生热影响、修复形貌难以控制的问题。

28、本发明通过使工作激光在前置偏折结构的倾斜折射面处发生折射偏移，并以损伤区投影范围内的最大激光能量密度不高于损伤增长阈值作为结构设计条件，实现对后表面损伤区所受激光能量密度的限制，解决仅根据光束几何偏移难以判断前置偏折结构能否覆盖并保护后表面损伤区的问题。

29、本发明通过将前置偏折结构设置为锥形、高斯型、抛物线型、半球型或复合偏折结构，并根据损伤区尺寸、光学元件厚度和工作激光传播条件确定结构宽度、结构深度及倾斜折射面倾角。通过建立结构宽度、结构深度和倾斜折射面倾角之间的几何关系，以及折射角、偏转角和横向偏移量之间的光路关系，确定前置偏折结构的几何参数及工作激光到达后表面时的横向偏移量，使前置偏折结构能够适应不同尺寸和位置的后表面损伤区。

30、本发明通过将前置偏折结构沿深度方向划分为多个加工层，并采用脉冲激光依次进行同心扫描、往复扫描或交叉扫描，实现前置偏折结构的逐层加工成形；通过针对多个损伤区分别形成多个前置偏折结构，或者形成覆盖多个损伤区的复合偏折结构，实现对不同数量和分布状态的后表面损伤区进行对应处理。