Rolle von Werkzeugspuren in der von Mikrotechnik hergestellten kugelförmigen Schadensbegrenzungsgrube

Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 14422 (2015) Diesen Artikel zitieren

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Die Reparatur anfänglicher geringfügiger Schadensstellen durch technische Techniken in stabile Strukturen ist die führende Strategie zur Eindämmung des Schadenswachstums an großen Komponenten, die in laserbetriebenen Fusionsanlagen verwendet werden. Für KH2PO4-Kristalle, die als Frequenzwandler und optoelektronische Schalter-Pockels-Zelle dienen, hat sich das Mikrofräsen als die vielversprechendste Methode zur Herstellung dieser stabilen Strukturen erwiesen. Aufgrund des Verschleißes des Fräsers während des eigentlichen Reparaturvorgangs würden jedoch zwangsläufig Werkzeugspuren in der Reparaturgrube entstehen. Hier untersuchen wir quantitativ die Auswirkung von Werkzeugspuren auf die Reparaturqualität beschädigter Kristallkomponenten, indem wir die induzierte Lichtintensivierung simulieren und die laserinduzierte Schadensschwelle testen. Wir haben festgestellt, dass aufgrund der Bildung von Fokussierungs-Hotspots und Interferenzwellen die Lichtintensität durch das Vorhandensein von Werkzeugspuren, insbesondere auf den Rückseiten, stark erhöht wird. Darüber hinaus ist der negative Effekt von Werkzeugmarkierungen abhängig von der Markierungsdichte und mehrere Werkzeugmarkierungen würden die Lichtverstärkung verschlimmern. Laserschadenstests bestätigten die Rolle von Werkzeugspuren als Schwachstellen, die die Reparaturqualität mindern. Diese Arbeit bietet neue Kriterien zur umfassenden Bewertung der Qualität reparierter optischer Oberflächen, um das Engpassproblem der niedrigen Laserzerstörungsschwelle für optische Komponenten in laserbetriebenen Fusionsanlagen zu lindern.

Um eine kontrollierbare Fusionsenergie zu erreichen, wurden zahlreiche Laserstrahlen auf mikrokleine Ziele konzentriert, um weltweit Hochleistungslasersysteme zu bauen1,2,3,4,5. Bei solch riesigen Lasersystemen ist eine große Anzahl großformatiger optischer Komponenten mit hochpräzisen Oberflächen erforderlich, um die Laserstrahlen zu verstärken und an die Vakuumzielkammer zu liefern. Beispielsweise sind mehr als 30.000 optische Teile in der National Ignition Facility (NIF) installiert, die aus 192 Strahlen mit großer Apertur (42 cm) besteht, die vom Lawrence Livermore National Laboratory in den USA gebaut wurden4,6,7. Unter diesen Teilen gelten Kaliumdihydrogenphosphatkristalle (KH2PO4, bekannt als KDP) als unersetzliche Komponenten und dienen aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen und elektrooptischen Eigenschaften als Frequenzwandler und optoelektronische Schalter-Pockels-Zelle8,9,10. Eines der Hauptprobleme bei Laserfusionsanlagen besteht darin, dass die optischen Teile unter der Bestrahlung mit Hochleistungslasern anfällig für laserinduzierte Schäden sind, die ihre optische Leistung und Lebensdauer erheblich reduzieren würden2,11,12,13,14 ,15. Der Laserschaden auf den Oberflächen stellt im Allgemeinen eine größere Bedrohung für die Lasersysteme dar als der Massenschaden, da die Größe des Oberflächenschadens nach der anschließenden Laserbestrahlung schnell zunehmen würde, während er beim Massenschaden unverändert bleibt12,16. Obwohl die laserinduzierte Schädigung optischer Komponenten seit über vier Jahrzehnten ein aktives Forschungsgebiet ist, ist dieses Phänomen immer noch nicht gut verstanden und die niedrige laserinduzierte Schädigungsschwelle (LIDT) bleibt ein Engpass bei der Entwicklung von Hochleistungslasern Systeme17. Bei KDP-Kristalloptiken ist der tatsächliche LIDT viel niedriger als der theoretisch berechnete Wert. An diesem Punkt ist es von großer Bedeutung, neue Techniken zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Laserschäden zu entwickeln.

In den eigentlichen Laserfusionsanlagen wurde eine Reparaturstrategie vorgeschlagen und in großem Umfang auf verschiedene Endoptiken angewendet, um das Wachstum instabiler Oberflächenschadensstellen einzudämmen und so die Widerstandsfähigkeit gegen Laserschäden zu verbessern. Die Reparaturstrategie, die auch „Mitigation“ genannt wird, besteht darin, zunächst die Schadensvorläufer an empfindlichen Oberflächenzonen durch Vorbestrahlung mit Lasern mit geringer Fluenz zu initiieren, dann die instabilen Schadensstellen zu identifizieren und sie schließlich mit einer vorab entwickelten, harmlosen Schadensminderung zu reparieren Struktur mit viel höherem LIDT3,12,18,19,20,21,22. Zwei Techniken des CO2-Laserschmelzens bei einer Wellenlänge von 10,6 μm3,18 und der Ultrakurzpuls-Laserablation19 sind die typischen Verarbeitungsmethoden zur Beseitigung der anfänglichen instabilen Schadensstellen für Siliziumdioxid und mehrschichtige Beschichtungsoptiken. Aufgrund der empfindlichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften von KDP-Kristallen hat sich die Mikrobearbeitung jedoch als die vielversprechendste Methode erwiesen, um die anfänglichen Schadensstellen auf Kristalloberflächen vollständig zu entfernen20,21,22.

In unserer vorherigen Arbeit wurde eine effiziente Methode mittels Mikrofräswerkzeug-Grübchenbildung vorgeschlagen, um die Schadensstellen in einer kugelförmigen Milderungsstruktur auf Kristalloberflächen zu reparieren23. Diese Grübchenmethode benötigt weniger als eine Minute, um jede kugelförmige Schadensvertiefung zu erzeugen, und der LIDT der reparierten Oberfläche ist nachweislich fast dreimal größer als der der ursprünglich beschädigten Oberflächen. Beim eigentlichen Reparaturprozess mit Hartmetall-Fräswerkzeugen würden jedoch aufgrund von Fehlern an den Schneidkanten einige Werkzeugspuren innerhalb der kugelförmigen Milderungsgrube entstehen, die durch Werkzeugverschleiß oder mangelhafte Werkzeugvorbereitung verursacht werden können. Die Abmessungen dieser Werkzeugmarkierungen sind im Allgemeinen mit der Laserwellenlänge vergleichbar, mit einer Breite von mehreren Mikrometern und einer Tiefe im Submikrometerbereich. Oberflächendefekte mit diesen spezifischen Größen können den einfallenden Laser stark modulieren und entsprechend die Laserschadensresistenz hochpräziser optischer Oberflächen verringern24,25,26,27. Daher kann eine gründliche Untersuchung der Auswirkung von Werkzeugspuren auf die Widerstandsfähigkeit gegen Laserschäden nicht nur eine lehrreiche Anleitung für die genaue Überwachung des Werkzeugverschleißes im praktischen Reparaturprozess von KDP-Kristallen sein, sondern auch zur vollständigen Bewertung der reparierten Kristalloberflächen beitragen .

In dieser Arbeit werden die Werkzeugspuren innerhalb der kugelförmigen Milderungsgrube zunächst mit einem stereoskopischen optischen Mikroskop charakterisiert. Anschließend wird der Ausbreitungsprozess des einfallenden Lasers durch reparierte Kristalloberflächen mit Werkzeugspuren mithilfe eines FDTD-Algorithmus (Finite-Difference-Time-Domain) modelliert. Die durch Schadensminderungsgruben mit einzelnen und mehreren Werkzeugspuren verursachten Lichtverstärkungen werden sowohl simuliert als auch mit denen verglichen, die durch ideal reparierte Oberflächen verursacht werden. Abschließend wird der Laserschadenstest für beide reparierten Oberflächen mit und ohne Werkzeugspuren entwickelt und durchgeführt, um experimentell die Rolle von Werkzeugspuren auf die Laserschadensbeständigkeit reparierter Kristallkomponenten zu überprüfen. Unsere Ergebnisse zeigen quantitativ, wie sich Werkzeugspuren in der Schadensbegrenzungsgrube auf die Reparaturqualität beschädigter KH2PO4-Kristalle auswirken würden.

In den Laserfusionsprojekten wurden verschiedene Arten spezieller Mikrobearbeitungsanordnungen entwickelt, um die instabilen Schadensstellen auf hochpräzisen Kristalloberflächen zu reparieren12,20,21,22. Um die Widerstandsfähigkeit von KDP-Kristallen gegen Laserschäden zu verbessern, haben wir eine Miniatur-Fünf-Achsen-Mikrofräsanlage entworfen und fertiggestellt, um die anfänglich beschädigten Kristalloberflächen schnell zu reparieren. Die Gesamtkonfiguration und Einzelheiten des Fräsaufbaus sind in Abb. 1 dargestellt. Der Aufbau umfasst eine Hochgeschwindigkeitsspindel, zwei rotierende Achsen (C- und B-Achse) und drei lineare Achsen (X-, Y-Achse). und Z-Achse), um eine präzise Identifizierung, Positionierung und Reparatur von Oberflächenschadensstellen zu erreichen. Die vollständige Beschreibung der Mikrofräsmaschine finden Sie in Lit. 23. Wie in Abb. 1b dargestellt, wird die ursprüngliche Schadensstelle zunächst von einer CCD-Kamera erfasst und direkt unter dem Fräswerkzeug positioniert. Anschließend fährt das winzige Werkzeug, das fest in der Spindel verankert ist und sich mit einer hohen Drehzahl von 70.000 U/min dreht, vertikal bis zu einer ausreichenden Schnitttiefe nach unten, sodass die beschädigte Stelle vollständig entfernt werden kann. Die verbleibende Struktur auf der reparierten Oberfläche wird durch die Geometrie des Fräswerkzeugs bestimmt. Abbildung 1c zeigt das zweischneidige Hartmetall-Fräswerkzeug mit einem Radius von 500 μm, das von NS TOOL Co., LTD (Typ MSB 230) in Tokio, Japan, hergestellt wird. Die ideal hergestellte kugelförmige Schadensminderungsgrube ohne Werkzeugspuren ist in Abb. 1d mit einer Breite von 240 μm und einer Tiefe von 30 μm dargestellt.

Entwickelte Mikrofräsanlage zur Reparatur der Schadensstellen auf KDP-Kristalloberflächen.

(a) Gesamtkonfiguration des Miniatur-Fünf-Achsen-Fräsaufbaus. (b) Der Reparaturprozess zum Ersetzen des anfänglichen Oberflächenschadens durch eine kugelförmige Schadensminderungsgrube. Die ursprüngliche Schadensstelle wird von einer Kaltlichtquelle beleuchtet und von einer CCD-Kamera identifiziert. (c) Das im Reparaturprozess eingesetzte zweischneidige Kugelfräswerkzeug. (d) Die typische kugelförmige Milderungsgrube ohne interne Werkzeugspuren, hergestellt durch Mikrofräsen.

Beim eigentlichen Reparaturprozess mit Hartmetall-Mikrofräswerkzeugen können durch Verschleiß und Reibung an der Schnittstelle zwischen Werkzeug und Span eine Reihe vereinzelter Fehler an den Schneidkanten entstehen28. Wie in Abb. 2 dargestellt, werden die Schneidkanten des Fräswerkzeugs nach einer bestimmten Schnittzeit an einigen lokalisierten Stellen diskontinuierlich abgesplittert. Die Mängel scheinen in Form von Dellen oder Grübchen an den Kanten verteilt zu sein. Wenn die fehlerhaften Werkzeuge zur Reparatur der Kristalloberflächen verwendet werden, werden die Werkzeugspuren entsprechend innerhalb der kugelförmigen Schadensvertiefung reproduziert. Die reproduzierten inneren Werkzeugspuren sollten wie erhabene Bogenstreifen aussehen, bei denen es sich im Wesentlichen um das ungeschnittene Kristallmaterial handelt, das durch die Fehler an den Schneidkanten übersehen wurde. Die kugelförmige Schadensbegrenzungsgrube mit diskontinuierlichen Werkzeugmarkierungen ist in Abb. 2b, c dargestellt. Man erkennt, dass die Abmessungen der Werkzeugmarkierungen fast mehrere Mikrometer breit und Submikrometer tief sind, was beides stark vom Verschleißgrad des Fräswerkzeugs abhängt. In allen folgenden Simulationen werden die Geometrien der modellierten Werkzeugmarkierungen basierend auf den oben getesteten Informationen ausgewählt.

Charakterisierung verschlissener Fräswerkzeugkanten, Werkzeugspuren innerhalb der sphärischen Schadensminderungsgrube und der FDTD-Simulationsmodelle.

(a) Das Mikrofräswerkzeug mit verschleißbedingten Fehlern an der Schneidkante. (b) Das Werkzeug hinterlässt Spuren in der reparierten Grube, die durch Fehler an den Schnittkanten entstanden ist. (c) Das Querschnittsprofil der reparierten Grube mit Werkzeugmarkierungen. Die Schadensbegrenzungsgrube ist etwa 280 μm breit und 20 μm tief und wurde mit einem Fräswerkzeug mit einem Radius von 500 μm hergestellt. (d) Schematische Darstellung der FDTD-Modelle für ideale Schadensbegrenzungsgruben und Schadensminderungsgruben mit einzelnen und mehreren Werkzeugmarkierungen.

Die Modulation des einfallenden Laserlichts durch Oberflächenmerkmale kann möglicherweise zu einer Lichtintensivierung innerhalb optischer Komponenten führen, die eng mit der lokalisierten Energiedeposition und der erhöhten nichtlinearen Absorption intensiven Lichts verbunden ist23,24,25,29. Diese durch Werkzeugspuren verursachten negativen Effekte würden die Widerstandsfähigkeit der reparierten Kristalloberflächen gegen Laserschäden erheblich verringern. An diesem Punkt wird die durch Werkzeugspuren verursachte Lichtintensivierung modelliert, um ihren negativen Einfluss auf die Reparaturqualität beschädigter KDP-Kristalle quantitativ zu bewerten. In dieser Arbeit werden die Maxwell-Gleichungen numerisch gelöst, indem der FDTD-Algorithmus verwendet wird, um die Szenarien der Lichtausbreitung durch strukturierte Oberflächen zu modellieren30,31,32. Die FDTD-Modelle für reparierte Kristalloberflächen mit und ohne Werkzeugspuren sind in Abb. 2d basierend auf den getesteten Profilen und der Geometrie der praktisch reparierten Schadensminderungsstrukturen dargestellt. Da tatsächlich mehrere Werkzeugmarkierungen innerhalb der Schadensbegrenzungsgrube nebeneinander existieren können, wie in Abb. 2b dargestellt, wird auch der Effekt der Werkzeugmarkierungsdichte berücksichtigt, um die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Werkzeugmarkierungen zu beschreiben. Es ist allgemein bekannt, dass sich die Modulationseigenschaft des einfallenden Lichts durch Merkmale auf der Rückseite immer von der durch Strukturen auf der Vorderseite unterscheidet13,25,26,27, daher sind die Auswirkungen von Werkzeugspuren auf Minderungsgruben auf der Vorder- und Rückseite unterschiedlich beides wurde in dieser Arbeit simuliert. Wie in Abb. 2d dargestellt, werden die Merkmale der Vorder- und Rückseite durch Umkehr der Ausbreitungsrichtung in den Simulationen realisiert. Der Einfachheit halber wird in unseren Simulationen die ebene einfallende Welle mit TE-Mode-Polarisation und einer Wellenlänge von 355 nm als anfängliche Eingangsquelle verwendet. Die elektrische Feldstärke der anfänglichen ebenen Welle ist auf E0 = 1 V/m normiert. Der Simulationsbereich ist rechteckig und gleichmäßig gerastert mit einer Maschenweite von 25 nm, was weniger als λ/12 ist, um den Effekt der numerischen Dispersion abzuschwächen, der durch die Differenzierung der Maxwell-Gleichungen mit dem FDTD-Algorithmus30 entsteht. Bei allen Simulationen werden die perfekt angepassten Schichten (PML) in den vertikalen Richtungen verwendet, während die periodischen Randbedingungen (PBCs) in den horizontalen Richtungen angewendet werden, wie in Abb. 2d33,34 dargestellt. Die auf KDP-Kristall und Luft angewendeten optischen Parameter sind in Ref. zu finden. 23.

Um die Auswirkung von Werkzeugspuren in kugelförmigen Schadensvertiefungen auf die Reparaturqualität experimentell zu belegen, haben wir zunächst die Kristallproben mit beschädigungsfreien Oberflächen, anfänglich beschädigten Oberflächen und reparierten Oberflächen mit und ohne Werkzeugspuren vorbereitet und dann ihre jeweiligen LIDTs getestet. Die beschädigungsfreien Oberflächen wurden durch das Diamant-Fliegenschnittverfahren erzielt und mit einem optischen Mikroskop untersucht, um sicherzustellen, dass sich auf den Oberflächen keine Mängel befanden. Die anfänglich beschädigten Oberflächen wurden künstlich durch die Mikroindentationsmethode26 präpariert. Die kugelförmige Schadensvertiefung mit Werkzeugspuren wurde durch die Reparatur der beschädigten Kristalloberflächen mit einem abgenutzten Hartmetall-Fräswerkzeug erzeugt, wie in Abb. 2a dargestellt. Um die Entstehung von Werkzeugspuren vollständig zu vermeiden, wurden die reparierten Oberflächen ohne Werkzeugspuren mit einem brandneuen Fräswerkzeug auf der Grundlage der Mehrfach-Eintauch-Schneidestrategie hergestellt, wobei die Fertigstellung jeder reparierten Grube fast 30 Minuten dauerte. Alle Merkmale auf jedem Oberflächentyp wurden weiter mit einem optischen Mikroskop überprüft, um sicherzustellen, dass sie identische Formen und Abmessungen aufwiesen, sodass sie zum genauen Testen der statistischen LIDTs verwendet werden können.

Der Versuchsaufbau zum Testen der LIDTs von KDP-Proben mit verschiedenen Oberflächenmerkmalen ist in Abb. 3 dargestellt. Der verwendete Nd:YAG-SAGA-Laser, der mit einer Wellenlänge von 355 nm, einer Wiederholrate von 10 Hz und einer Impulsdauer von 6,4 ns arbeitet, ist in der Lage, eine Ausgabe zu liefern Laserpulse mit einem einzigen Longitudinalmodus und einer ungefähren Gaußschen räumlichen Verteilung. Die Wellenlänge von 355 nm wurde so gewählt, dass sie mit der in der Simulation und in tatsächlichen Laserfusionsanlagen verwendeten Wellenlänge übereinstimmt. Der Schaltvorgang der Laserimpulse wird durch einen mechanischen Verschluss gesteuert. Die Kombination aus Wellenplatte und Polarisator wird hinter dem Verschluss installiert, um die variable Laserfluenz einzustellen. Darüber hinaus wird je nach Keilteiler ein Teil der Impulsenergie durch einen Energiemesser erfasst und ein He-Ne-Laser zur Kalibrierung des einfallenden Lichts eingesetzt. Eine CCD-Kamera wird an der KDP-Probe angebracht, um die Veränderungen der Oberflächenmorphologie nach jedem Laserpuls vor Ort zu überwachen. Die LIDTs verschiedener KDP-Oberflächen werden basierend auf der R-on-1-Teststrategie21 gemessen und die detaillierte Implementierung zur Bestimmung der LIDTs wird in der ergänzenden Abbildung S1 online beschrieben. Es ist erwähnenswert, dass die Laserschadensexperimente in dieser Arbeit lediglich zum Testen der reparierten Vorderflächen gedacht sind. Dies liegt daran, dass es aufgrund der nichtlinearen Eigenschaft des KDP-Kristalls technisch schwierig ist, den unerwünschten Effekt der Massenbeschädigung zu beseitigen, wenn wir versuchen, die Rückseiten zu testen.

Schematische Darstellung des Laserschadensaufbaus zur Bestimmung der LIDTs von KDP-Kristallen.

Die mit der lokalen Energiekonzentration verbundene Lichtverstärkung wird von Forschern zunehmend genutzt, um die Wirkung von Oberflächenstrukturen auf die Laserschadensresistenz optischer Komponenten zu charakterisieren23,25,26,27,33,34. Die elektrischen und magnetischen Felder werden in dieser Arbeit durch numerisches Lösen der Maxwell-Gleichungen simuliert und der Lichtintensitätsverstärkungsfaktor (LIEF) wird eingeführt, um die lokale Lichtverstärkung anzuzeigen, die durch Werkzeugspuren und reparierte Schadensbegrenzungsstrukturen verursacht wird. Der LIEF ist definiert als das Verhältnis der maximalen Lichtintensität nach und vor der Modulation von Oberflächenstrukturen. Es ist erwähnenswert, dass sich alle LIEFs, die durch Merkmale auf der Vorderseite verursacht werden, auf die anfängliche Lichtintensität in der Luft beziehen, während sie sich bei Merkmalen auf der Rückseite auf die Intensität im Inneren des Kristalls beziehen, um den Effekt zusätzlicher Reflexionen zu vermeiden, die auftreten an der Luft-Kristall-Grenzfläche27.

In diesem Abschnitt wird die Lichtverstärkung, die durch eine ideale Abschwächungsgrube ohne Werkzeugspuren verursacht wird, simuliert, um einen quantitativen Vergleich mit der durch eine Abschwächungsgrube mit Werkzeugspuren in den folgenden Abschnitten verursachten Lichtverstärkung durchzuführen. Das Modell für eine ideale kugelförmige Minderungsgrube ist in Abb. 2d dargestellt. Abbildung 4 zeigt die Profile der Lichtintensivierung, die durch eine ideale kugelförmige Abschwächungsgrube sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite verursacht werden. Wir sollten bedenken, dass die gemeldete Simulationsdomänengröße die größte Dimension ist, die wir mit dem FDTD-Algorithmus mit den Parametern 355 nm Wellenlänge und 25 nm Maschenweite genau simulieren können. Die Dimension der modellierten Minderungsstruktur wird auf ein Zehntel der Dimension der praktischen Minderungsstruktur verkleinert. Dennoch sind die Form und die Neigungsverteilung entlang der Kontur der Abschwächungsgrube so gestaltet, dass sie denen einer tatsächlichen Abschwächungsgrube entsprechen, was tatsächlich einen allgemeinen Trend der durch die Abschwächungsgrube verursachten Lichtintensivierung liefern kann. Dies liegt daran, dass die Form und das Breiten-Tiefen-Verhältnis der Struktur und nicht die absoluten Abmessungen im Allgemeinen der dominierende Faktor sind, der für die durch Oberflächenmerkmale verursachte Lichtintensivierung verantwortlich ist23,34. Darüber hinaus besteht das Hauptanliegen dieser Arbeit darin, die negativen Auswirkungen von Werkzeugspuren auf die Widerstandsfähigkeit gegen Laserschäden zu untersuchen. Die Abmessungen der Werkzeugspuren entsprechen in allen Simulationen der experimentellen Gesamtgröße, die in Abb. 2 dargestellt ist. Außerdem wird die Größe der Abschwächung berücksichtigt Die Grube ist etwa zwei Größenordnungen größer als die der Werkzeugspuren. Daher würde eine Verkleinerung der Abschwächungsgrubengröße keinen Einfluss auf die Modulationseigenschaft von Werkzeugmarkierungen haben, und die Simulationsergebnisse in den folgenden Abschnitten würden dies ebenfalls belegen.

Vergleich von Lichtintensitätsprofilen, moduliert durch ideale Schadensminderungsgruben und reparierte kugelförmige Gruben mit Einzelwerkzeugmarkierung.

Der obere Teil ist für den Fall einer idealen Schadensbegrenzungsgrube auf der Vorder- (a) und Rückseitenoberfläche (b) und der untere Teil für den Fall einer reparierten Schadensminderungsgrube mit einer einzigen Werkzeugmarkierung auf der Vorder- (c) und Rückseite (d). Oberflächen. Die Werkzeugmarkierungen in c und d sind 2,0 μm breit und 0,5 μm tief. Die Einsätze sind die Profile der Lichtverstärkung in der Nähe der Werkzeugmarkierungen.

Die Profile in Abb. 4 zeigen, dass die Lichtintensität, die durch reine kugelförmige Milderungsgruben ohne Werkzeugspuren verursacht wird, sowohl für die Rück- als auch für die Vorderflächen nicht so stark erhöht ist. Die LIEFs betragen in beiden Fällen 1,65 bzw. 2,29. Für die ursprüngliche Schadensstelle vor der Reparatur, die bestimmte Arten von Oberflächenrissen und absorbierenden Substanzen enthält, kann die induzierte Lichtintensivierung Berichten zufolge jedoch mehrere Hundert Mal betragen26,27. Dies bedeutet, dass durch die Reparatur der ursprünglichen Schadensstelle in eine kugelförmige Vertiefung die Lichtintensivierung erheblich abgemildert und somit die Widerstandsfähigkeit gegen Laserschäden verbessert werden kann. Die leichte Lichtverstärkung durch die Abschwächungsgrube auf der Rückseite in Abb. 4b ist auf die Beugungseffekte zurückzuführen, die von den Schnittpunkten der reparierten Struktur und den Kristalloberflächen herrühren. Bei der Milderungsgrube auf der Vorderseite tragen die stehenden Wellen neben den Beugungseffekten auch zur Lichtverstärkung bei, wie in Abb. 4a dargestellt. Die Beugungsprofile in Abb. 4 stimmen mit den berichteten Intensitätsprofilen von Oberflächenverunreinigungspartikeln überein, die auf der Grundlage der Fresnel-Beugungstheorie35 berechnet wurden.

Die einzelne Werkzeugspur innerhalb der sphärischen Schadensvertiefung wird im Allgemeinen durch einzelne Fehler an den Schneidkanten des Mikrofräswerkzeugs verursacht. Wie in Abb. 2d dargestellt, handelt es sich bei den Werkzeugspuren um erhabenes, ungeschnittenes Kristallmaterial, das durch die abgebrochenen Schneidkanten in der reparierten Schadensgrube reproduziert wird. Abbildung 4c,d zeigt die Verteilungen der Lichtverstärkung, die durch die kugelförmige Abschwächungsgrube mit einer einzigen Werkzeugmarkierung auf der Vorder- und Rückseite verursacht werden. Die einzelne Werkzeugmarkierung ist auf eine Breite von 2,0 μm und eine Tiefe von 0,5 μm eingestellt, gemäß den getesteten geometrischen Informationen der Werkzeugmarkierungen, wie in Abb. 2 dargestellt. Im Gegensatz zu den Ergebnissen für die ideale kugelförmige Abschwächungsgrube in Abb. 4a, b ist die Die Lichtverstärkung in Abb. 4c, d weist ganz unterschiedliche Merkmale auf. Für die Intensitätsprofile, die durch die Werkzeugmarkierung auf der Vorderseite in Abb. 4c verursacht werden, gibt es zusätzlich zu den Beugungswellen zwei weitere verstärkte Bereiche: Fokussierungs-Hotspot im Inneren des Kristalls und Interferenzwellen, die in der Luft innerhalb der reparierten Grube enthalten sind. Der Hotspot, der einen größeren Beitrag zur Lichtverstärkung leistet, ist das Ergebnis der Interferenz des durchgelassenen Lichts an den Werkzeugmarkierungswänden. Das bedeutet, dass die erhabene Werkzeugmarkierung als konvexe Linse wirken kann. Der LIEF in Abb. 4c beträgt 3,12 und ist damit fast doppelt so groß wie der Wert, der durch die Schadensbegrenzungsgrube ohne Werkzeugmarkierung verursacht wird. Der andere verstärkte Bereich besteht aus Interferenzwellen zwischen den reflektierten Lichtstrahlen von den Wänden der Werkzeugmarkierung und der Schadensbegrenzungsgrube, wie im Einschub von Abb. 4c dargestellt. Es ist zu beachten, dass der größte Teil der durch Werkzeugspuren verursachten Spitzenlichtverstärkung innerhalb des Kristalls auftritt und sich in seltenen Fällen in der Luft befindet. Bei der Lichtverstärkung in der Luft befindet es sich sehr nahe an der reparierten Kristalloberfläche (weniger als 3, 0 μm, wie in der ergänzenden Abbildung S2 online dargestellt). Im eigentlichen Reparaturprozess neigen Werkzeugspuren, insbesondere die mehrfachen Werkzeugspuren, besonders dazu, einige absorbierende Partikel (Fräsabfälle) in der Nähe der reparierten Oberfläche in der Luft festzuhalten, wie es bei offenen Rissen bei der Endbearbeitung von Quarzoberflächen der Fall ist36. Diese über die Hot-Spot-Regionen verteilten Partikel können die Laserenergie stark absorbieren und dann eine Mikroexplosion auslösen, gefolgt von Stoßwellen, die entsprechend die Schäden an der Oberfläche in der Nähe auslösen würden. Daher stellt die durch Werkzeugmarkierungen verursachte Lichtverstärkung in der Luft in der Nähe der reparierten Oberfläche eine potenzielle Gefahr für die Widerstandsfähigkeit gegen Laserschäden dar und sollte bei der Bewertung der negativen Auswirkungen von Werkzeugmarkierungen berücksichtigt werden. Für den Fall der Werkzeugmarkierung auf der Rückseite in Abb. 4d existieren die verstärkten Bereiche des Fokussierungs-Hotspots und der Interferenzwellen in dem Bereich ähnlich denen in Abb. 4c. Der Unterschied besteht darin, dass sich in Abb. 4d der durch die Fokussierung der Werkzeugmarkierung verursachte Hotspot in der Luft befindet und die durch das reflektierte Licht an den Werkzeugmarkierungswänden verursachten Interferenzwellen im Inneren des Kristalls liegen. Die durch die Werkzeugmarkierungswände im Einschub von Abb. 4d verursachten Interferenzwellen kommen den gemeldeten Ergebnissen, die durch Risswände auf der Rückseite verursacht werden, sehr nahe26,27. Der LIEF in Abb. 4d beträgt 6,29 und ist damit 2,75-mal so groß wie der Wert, der durch die ideale Minderungsgrube auf der Rückseite verursacht wird.

Abbildung 5 zeigt die Entwicklung der Lichtverstärkung, die durch eine Minderungsgrube mit einer einzigen Werkzeugmarkierung in Bezug auf die geometrischen Parameter verursacht wird. In Abb. 5a variiert die Neigung der Werkzeugmarkierung (bestimmt durch das Breiten-Tiefen-Verhältnis ξi = wi/di) bei einer bestimmten Markierungsgröße (di = 0,5 μm), während in Abb. 5b die Markierungsgröße konstant angepasst wird Steigung (ξi = 2,5). Wie in Abb. 5a dargestellt, erfährt der LIEF mit dem Anstieg von ξi zunächst einen starken Anstieg, erreicht dann einen Höhepunkt und nimmt schließlich allmählich ab. Dies liegt daran, dass mit zunehmendem ξi der Einfallswinkel abnimmt und die Durchlässigkeit an Markierungswänden gemäß der Fresnelschen Reflexionstheorie ansteigen würde. Infolgedessen weist die Intensität des Fokussierungs-Hotspots, der durch das durchgelassene Licht verursacht wird, zunächst einen zunehmenden Trend auf. Allerdings verschiebt sich die Position des Fokussierungs-Hotspots in Richtung der Rückseite, wenn ξi zunimmt. Wenn ξi groß genug ist, kann sich der Hotspot außerhalb des Simulationsbereichs befinden und der LIEF zeigt dementsprechend eine allgemeine Abnahme. Für den Rückflächenfall in Abb. 5a sinkt der LIEF mit zunehmendem ξi zunächst dramatisch, steigt dann leicht an und fällt anschließend allmählich wieder ab. Die konkurrierenden Beiträge von Interferenzwellen und Fokussierungs-Hotspots zur Lichtverstärkung sollten für dieses Phänomen verantwortlich sein. Wenn ξi klein ist, ist der Einfallswinkel so groß, dass die durch reflektiertes Licht verursachten Interferenzwellen die dominierende Quelle sind und die größte Lichtverstärkung erzeugen. Mit zunehmendem ξi nimmt der Einfallswinkel ab und auch das Reflexionsvermögen sinkt. Daher nimmt der induzierte LIEF zunächst stark ab. Wenn ξi ausreichend groß ist, wird der Einfallswinkel so klein, dass der durch das Durchlicht verursachte Hotspot in erster Linie die größte Lichtverstärkung bestimmt. Wenn ξi zunimmt, nimmt auch die Durchlässigkeit zu und daher zeigt der induzierte LIEF dann einen leichten Anstieg. Wenn jedoch ξi weiter zunimmt, würde die Position des Fokussierungs-Hotspots über den Simulationsbereich hinausgehen, was zu einer endgültigen Abnahme des LIEF führen würde, wie in Abb. 5a dargestellt. Die Entwicklung des LIEF gegenüber der Steigung für eine gegebene Größe (wi = 2,0 μm), die eine ähnliche Tendenz wie in Abb. 5a zeigt, ist in der ergänzenden Abbildung S3 online dargestellt. Die oben diskutierten konkurrierenden Effekte von Interferenzwellen und Fokussierungs-Hotspot können auch zur Interpretation der Entwicklung von LIEF gegenüber der in Abb. 5b gezeigten Markierungsgröße angewendet werden. Dennoch ist die Wirkung dieses Mechanismus in beiden Fällen unterschiedlich. In Abb. 5b würde die Vergrößerung der Werkzeugmarkierung zu einer Vergrößerung der aktiven Markierungswandfläche führen, was sich sowohl auf die Menge des durchgelassenen Lichts als auch auf die Position des Hotspots auswirken kann. Infolgedessen steigen die LIEFs, die sowohl durch Werkzeugspuren auf der Vorder- als auch auf der Rückseite verursacht werden, aufgrund der erhöhten Menge an durchgelassenem Licht zunächst schnell an und nehmen aufgrund der Verschiebung des Hot Spots nach außen allmählich ab, wie in Abb. 5b gezeigt.

Entwicklung der Lichtverstärkung im Vergleich zu den Strukturparametern einer einzelnen Werkzeugmarkierung.

Die Variationen der LIEFs nach reparierter Grube mit Einzelwerkzeugmarkierung als Funktion der Markierungssteigung (a) und der Markierungsgröße (b). Die Markierungssteigung (bestimmt durch das Breiten-Tiefen-Verhältnis ξi = wi/di) variiert bei einer bestimmten Markierungsgröße (di = 0,5 μm), während ξi konstant bei 2,5 bleibt, wenn sich die Markierungsgröße ändert. (c) Die Variationen von |Ey|2 in Bezug auf die Z-Position für Werkzeugmarkierungen auf der Vorderseite mit unterschiedlichen Breiten. Die Z-Position ist der horizontale Abstand von der Rückseite (Z = 0 μm). Der Einschub ist die Position des Hotspots (Spitzenverstärkung) in Bezug auf die Markierungsbreite. (d) Die Profile der Lichtintensivierung, die durch Werkzeugmarkierungen mit einer Breite von 1,0 μm, 2,0 μm und 3,0 μm verursacht werden.

Aus den obigen Diskussionen kann man erkennen, dass die Verschiebung der Hot-Spot-Position in erster Linie der Mechanismus zur Erklärung des sich ändernden Verhaltens von LIEF ist, das durch einzelne Werkzeugmarkierungen in Bezug auf Werkzeugmarkierungsparameter verursacht wird. Dies kann durch die in Abb. 5c, d gezeigten Ergebnisse weiter verifiziert werden, die das Verschiebungsverhalten der Position des Fokus-Hotspots zeigen, das durch Werkzeugmarkierungen auf der Vorderseite mit unterschiedlichen Markierungsbreiten verursacht wird. In Abb. 5c und seinem Einschub ist zu sehen, dass sich die Z-Position des Hotspots mit zunehmender Markierungsbreite zur Rückseite des Kristalls verschiebt (Z = 0 μm). Wenn die Breite groß genug ist (wi ≥ 3,5 μm), würde sich der Hotspot außerhalb des Simulationsbereichs befinden, sodass die Spitzenverstärkung weiterhin auf der Rückseite liegt. Die Verschiebung der Fokussierungs-Hotspot-Position wird in den Profilen der Lichtintensivierung in Abb. 5d weiter dargestellt. Das durch Werkzeugmarkierungen auf der Rückseite mit unterschiedlichen Markierungsbreiten verursachte Verschiebungsverhalten der Position des Fokus-Hotspots ähnelt dem durch Werkzeugmarkierungen auf der Vorderseite verursachten. Die Ergebnisse sind in der ergänzenden Abbildung S2 online dargestellt.

Die Ergebnisse in den Abbildungen 4 und 5 zeigen, dass das Vorhandensein einer einzigen Werkzeugmarkierung zu einer viel höheren Lichtintensivierung führen würde, unabhängig davon, wo sie sich befinden. Die durch Werkzeugspuren auf der Rückseite verursachten LIEFs sind im Allgemeinen höher als diejenigen, die durch Werkzeugspuren auf der Vorderseite verursacht werden. Unter allen Ergebnissen liegen die größten LIEFs, die durch Werkzeugspuren auf der Rückseite und der Vorderseite verursacht werden, bei 13,4 bzw. 3,5. Dies bedeutet, dass die Qualität der reparierten KDP-Oberfläche durch einzelne Werkzeugmarkierungen negativ beeinflusst werden kann, indem die Lichtintensität auf der Rückseite und der Vorderseite auf das 5,9- bzw. 2,1-fache (im Vergleich zu ideal reparierten Oberflächen) erhöht wird.

Im praktischen Reparaturprozess würden mehrere Fehler gleichzeitig an den Schneidkanten entstehen und dementsprechend mehrere Werkzeugspuren innerhalb der kugelförmigen Schadensvertiefung reproduzieren, wie in Abb. 2 dargestellt. Um die negative Auswirkung tatsächlicher Werkzeugspuren auf die Reparaturqualität beschädigter KDP zu modellieren Oberflächen ist es von großer Bedeutung, die durch mehrere Werkzeugspuren verursachte Lichtverstärkung zu simulieren. Das FDTD-Modell für Schadensbegrenzungsgruben mit mehreren Werkzeugmarkierungen ist in Abb. 2d dargestellt. Abbildung 6a und b zeigen die Profile der Lichtverstärkung, die durch eine kugelförmige Milderungsgrube mit drei Werkzeugmarkierungen auf der Vorder- und Rückseite verursacht werden. Die Werkzeugmarkierungen befinden sich am Boden der Schadensbegrenzungsgrube mit einer Breite von 2,0 μm und einer Tiefe von 1,0 μm.

Durch mehrere Werkzeugmarkierungen modulierte Lichtverstärkung und die Variationen der LIEFs und der Anzahl der IPs im Verhältnis zur Markierungsdichte ρ.

Verteilung der Lichtintensität, verursacht durch reparierte kugelförmige Vertiefung mit drei Werkzeugspuren auf der Vorder- (a) und der Rückseite (b). Jede Werkzeugmarkierung ist 2,0 μm breit und 1,0 μm tief. Einfügungen sind die Profile der Lichtintensivierung in der Nähe von Werkzeugmarkierungen. Die unteren Teile sind die Variationen der LIEFs und der Anzahl der IPs als Funktion der Werkzeugmarkierungsdichte ρ sowohl für die Vorder- (c) als auch die Rückseitenoberfläche (d). Die mehreren Werkzeugmarkierungen haben den gleichen Abstand und die Markierungsbreite und -tiefe bleiben konstant bei 2,0 μm bzw. 1,0 μm, wenn sich die Werkzeugmarkierungsdichte ändert.

Ähnlich wie bei einzelnen Werkzeugmarkierungen wird der Begriff LIEF verwendet, um die durch Werkzeugmarkierungen verursachte Spitzenlichtintensivierung anzugeben. Die Anfälligkeit für Laserschäden hängt jedoch stark von der Gesamtmenge der in optischen Materialien deponierten Energie ab11,17. An dieser Stelle ist auch die Anzahl der intensivierten Punkte (IPs) wichtig, um die Widerstandsfähigkeit gegen Laserschäden reparierter KDP-Kristalle mit Oberflächenstrukturen zu beschreiben. In diesem Abschnitt wird die Anzahl der IPs in Kombination mit LIEF verwendet, um die negativen Auswirkungen mehrerer Werkzeugmarkierungen auf die Reparaturqualität zu charakterisieren. Die IPs sind als die Stellen definiert, an denen der LIEF größer ist als der, der durch eine ideale Minderungsgrube verursacht wird (dh 1,65 für die vordere reparierte Oberfläche und 2,29 für die hintere reparierte Oberfläche). Wenn man die Lichtintensitätsprofile in Abb. 4 mit denen in Abb. 6 vergleicht, sieht man, dass das einfallende Licht durch die mehreren Werkzeugmarkierungen viel stärker moduliert wird. Die Anzahl der IPs, die durch mehrere Werkzeugspuren verursacht werden, ist viel höher als die durch einzelne Markierungen sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite reparierter Oberflächen. Darüber hinaus steigt im Vergleich zur identischen Markierung mit einem einzelnen Werkzeug der durch mehrere Markierungen auf der Vorderseite verursachte LIEF stärker an als der durch mehrere Markierungen auf der Rückseite verursachte LIEF. Die LIEFs, die durch einzelne Werkzeugmarkierungen auf der Vorder- und Rückseite verursacht werden, betragen 2,7 bzw. 13,4, wie in Abb. 4c, d gezeigt, während sie für mehrere Werkzeugmarkierungen in Abb. 6a, b 4,5 bzw. 14,1 betragen. Verantwortlich für dieses Phänomen dürften die neuen Interferenzwellen in Abb. 6a sein, die durch das reflektierte Licht benachbarter Werkzeugmarkierungen verursacht werden.

Die Ergebnisse in Abb. 6a,b deuten darauf hin, dass die zahlreichen Werkzeugspuren den negativen Effekt auf die Reparaturqualität beschädigter KDP-Oberflächen verstärken würden. Auf dieser Grundlage haben wir die Werkzeugmarkierungsdichte ρ als die Anzahl der Werkzeugmarkierungen pro Millimeter entlang der Querschnittsbogenlänge der kugelförmigen Schadensminderungsgrube definiert und ihren Einfluss auf die Laserschadensresistenz untersucht. Die Variationen von LIEF und der Anzahl der IPs in Bezug auf die Werkzeugmarkierungsdichte sind in Abb. 6c, d dargestellt. Es wird gezeigt, dass für die mehreren Werkzeugmarkierungen auf den Vorderflächen in Abb. 6c sowohl die induzierten LIEFs als auch die Anzahl der IPs mit zunehmender Markierungsdichte nahezu linear ansteigen. Der lineare Anstieg der IP-Zahl ergibt sich aus den Interferenzwellen, die durch das reflektierte Licht an den einzelnen Werkzeugmarkierungen verursacht werden, wie in Abb. 6a dargestellt, während der lineare Anstieg der LIEF das Ergebnis neuer Interferenzwellen ist, die durch benachbarte Markierungen verursacht werden. Im Fall von Werkzeugmarkierungen auf der Rückseite in Abb. 6d bleibt die LIEF zwar ungefähr unverändert, die Anzahl der IPs nimmt jedoch mit zunehmender Werkzeugmarkierungsdichte ebenfalls nahezu linear zu. Die Verteilungen der Lichtverstärkung, die durch mehrere Werkzeugmarkierungen mit unterschiedlichen Dichten auf Vorder- und Rückseite verursacht werden, sind in der ergänzenden Abbildung S4 online dargestellt, um die neuen Interferenzwellen, die durch benachbarte Markierungen verursacht werden, und die vervielfachte Anzahl von IPs, die durch mehrere Werkzeugmarkierungen verursacht werden, weiter zu verdeutlichen.

Aus den obigen Diskussionen können wir schließen, dass die mehrfachen Werkzeugmarkierungen im Vergleich zu einzelnen Werkzeugmarkierungen noch schlimmere negative Auswirkungen auf die Reparaturqualität von KDP-Kristallen haben können. Wenn die Dichte der Werkzeugmarkierungen von 105,76 mm−1 auf 246,78 mm−1 steigt, würde die Anzahl der IPs auf der Vorder- und Rückseite auf das 2,7- bzw. 6,1-fache ansteigen. Der größte LIEF, der durch mehrere Werkzeugspuren auf der Vorderseite verursacht wird, ist 1,5-mal so hoch wie der, der durch einzelne Werkzeugspuren verursacht wird.

Die getesteten LIDTs des KDP-Kristalls mit unterschiedlichen Oberflächenmerkmalen sind in Abb. 7 dargestellt. Es wird gezeigt, dass der LIDT der diamantgedrehten fehlerfreien Oberfläche 7,93 J/cm2 beträgt. Die Wachstumsschwelle der anfänglich beschädigten Oberfläche beträgt jedoch nur 2,33 J/cm2, was bedeutet, dass die beschädigte Oberfläche nach Auftreten des Schadens selbst bei sehr geringer Fluenz unter der Bestrahlung mit einem nachfolgenden Laserpuls anfällig für ein Schadenswachstum ist. Der LIDT einer ideal reparierten Schadensbegrenzungsgrube ohne Werkzeugmarkierung beträgt 6,69 J/cm2. Dies bedeutet, dass durch das Ersetzen der ursprünglichen Schadensstelle durch eine kugelförmige Milderungsgrube durch Mikrofräsen die Schadensresistenz zuvor beschädigter Kristalloberflächen erfolgreich wiederhergestellt werden kann. Wenn jedoch Werkzeugspuren in der Schadensminderungsgrube vorhanden sind, sinkt der LIDT der reparierten KDP-Oberfläche auf 5,59 J/cm2, was nur 83,6 % des Werts einer ideal reparierten kugelförmigen Schadensminderungsgrube entspricht. Die elektromagnetische Energiedichte hängt über den Brechungsindex η und die Vakuumpermittivität ε037 mit dem elektrischen Feld E, 1/2 ε0η2|E|2, zusammen. Wie bekannt ist, ist die Lichtintensität linear proportional zu |E|2. Für eine gegebene Pulsbreite hängt der Laserfluenzschwellenwert LIDT also ausschließlich von der Lichtintensität ab. Da der getestete LIDT für reparierte KDP-Oberflächen mit Werkzeugspuren auf 83,6 % des Werts für ideal reparierte Oberflächen abnimmt, wird auf dieser Grundlage erwartet, dass in den Simulationen der durch Werkzeugspuren verursachte LIEF 1,20-mal so groß sein sollte wie der verursachte durch ideal reparierte Grube. In den Simulationsergebnissen, wie in Abb. 5a und der ergänzenden Abbildung S3 online dargestellt, beträgt der LIEF, der durch eine Werkzeugmarkierung auf der Vorderseite mit einer Breite von 2,0 μm und einer Tiefe von 0,2 μm verursacht wird, jedoch 2,08, was 1,26-mal so groß ist verursacht durch eine ideale kugelförmige Milderungsgrube (der LIEF, der durch eine ideal reparierte Oberfläche verursacht wird, beträgt 1,65). Dies impliziert, dass der Vergleich experimentell getesteter LIDTs für reparierte Oberflächen mit und ohne Werkzeugspuren gut mit den durch die FDTD-Simulationen berechneten LIEFs übereinstimmt.

Vergleich der experimentell getesteten LIDTs für KDP-Kristalle mit schadensfreien Oberflächen, anfänglich beschädigten Oberflächen und reparierten Oberflächen mit und ohne Werkzeugspuren.

Der LIDT wird durch Testen von 10 Punkten bestimmt und der Fehlerbalken ist die Standardabweichung der getesteten Daten.

Abbildung 8 zeigt die weiteren experimentellen Belege zur Verifizierung der Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Laserschäden anfänglich beschädigter KDP-Oberflächen durch Mikrofräsreparatur und der negativen Auswirkung von Werkzeugspuren auf die Reparaturqualität. Die anfänglich beschädigte Kristalloberfläche mit Mikrovertiefung zeigt nach der Laserbestrahlung mit einer Fluenz von 2,40 J/cm2 eine verschärfte Beschädigung, wie in Abb. 8a1, a2 dargestellt, während die reparierte Oberfläche ohne Wollfleck in Abb. 8b1, b2 sogar mit dem Laser bestrahlt wurde Puls mit viel höherer Fluenz (6,96 J/cm2), treten auf den reparierten KDP-Oberflächen keine neuen Schäden auf. Wenn jedoch die reparierte Oberfläche mit Werkzeugspuren mit einem Laserpuls von 5,29 J/cm2 bestrahlt wird, entstehen neue Laserschäden direkt an den Werkzeugspuren innerhalb der Schadensbegrenzungsgrube, was in Abb. 8c1, c2 dargestellt ist. Durch Vergleich mit den Simulationsergebnissen in Abb. 6a kann festgestellt werden, dass die Werkzeugmarkierungen auf der Vorderseite das einfallende Licht stark modulieren und folglich eine Reihe von Hotspots im Bereich der Werkzeugmarkierungen erzeugen können. Wenn ein einfallender Laser einfällt, kann die Energie auch bei geringer Fluenz in diesem begrenzten Hot-Spot-Bereich konzentriert und vervielfacht werden und so einen Laserschaden an den Werkzeugspuren innerhalb der reparierten Grube auslösen, was gut mit dem tatsächlichen Schadensszenario in Abb. übereinstimmt . 8c2. Dies bedeutet, dass die Werkzeugspuren potenzielle Schwachstellen darstellen und die Widerstandsfähigkeit reparierter KDP-Kristalle gegen Laserschäden verringern. Die obigen Experimente belegen, dass die Reparatur der anfänglichen Schadensstelle mit einer kugelförmigen Vertiefung das Schadenswachstum für optische KDP-Komponenten positiv eindämmen kann, während die durch die Fehler an den Schnittkanten reproduzierten Werkzeugspuren tatsächlich die Reparaturqualität bis zu einem gewissen Grad beeinträchtigen würden.

Morphologien der verschiedenen KDP-Oberflächen vor (a–c) und nach (d–f) 355-nm-Laserpulsbestrahlung: anfänglich beschädigte Oberflächen (a,d), idealerweise reparierte Oberflächen ohne Werkzeugspuren (b,e) und reparierte Oberfläche mit Werkzeugmarkierungen (c,f).

Die angewandten Fluenzen betragen 2,40 J/cm2, 6,96 J/cm2 bzw. 5,29 J/cm2 für anfänglich beschädigte Oberflächen und reparierte Oberflächen ohne und mit Werkzeugspuren.

Die Werkzeugspuren in der kugelförmigen Schadensvertiefung werden beobachtet, wenn die anfänglich beschädigten KDP-Oberflächen durch Mikrofräsen repariert werden. Basierend auf den getesteten geometrischen Informationen von Werkzeugspuren wird die Lichtverstärkung, die durch sphärische Minderungsgruben mit und ohne Werkzeugspuren verursacht wird, mithilfe des FDTD-Algorithmus modelliert, um den negativen Effekt von Werkzeugspuren auf die Reparaturqualität quantitativ zu untersuchen. Bei Vorhandensein einer einzelnen Werkzeugmarkierung können die verursachten LIEFs bis zu 3,5 bzw. 13,4 für die reparierte Vorder- und Rückseite erreichen, was 2,1 bzw. 5,9 Mal so groß ist wie die Werte, die durch eine reparierte Grube ohne Werkzeugmarkierung verursacht werden. Es wird angenommen, dass die Erzeugung von Fokussierungs-Hotspots und Interferenzwellen, die durch die Werkzeugmarkierungsstrukturen mit Mikro-/Nanoskalen verursacht werden, für die verstärkte Lichtintensivierung verantwortlich ist. Darüber hinaus hängen die durch Werkzeugmarkierungen verursachten LIEFs von der Dichte der Werkzeugmarkierungen ab und mehrere Werkzeugmarkierungen können zu einer viel stärkeren Modulation des einfallenden Laserlichts führen. Die Anzahl der IPs, die durch mehrere Werkzeugmarkierungen auf der Vorder- und Rückseite verursacht werden, nimmt mit zunehmender Werkzeugmarkierungsdichte nahezu linear zu. Der LIEF, der durch mehrere Werkzeugmarkierungen auf der Vorderseite verursacht wird, steigt aufgrund der Wechselwirkung zwischen benachbarten Werkzeugmarkierungen sogar auf das 1,5-fache des Werts, der durch einzelne Werkzeugmarkierungen verursacht wird. Durch die Durchführung der Laserschadensexperimente für KDP-Proben mit verschiedenen Oberflächenmerkmalen wurde bestätigt, dass die Reparatur der ursprünglichen Schadensstelle in eine kugelförmige Schadensvertiefung durch Mikrofräsen die Widerstandsfähigkeit gegen Laserschäden erheblich verbessern kann und das Einbringen von Werkzeugspuren tatsächlich die Reparaturfähigkeit verringern würde Qualität. Es wurde festgestellt, dass der LIDT für reparierte Kristalloberflächen mit Werkzeugspuren auf 5,59 J/cm2 (355 nm, 6,4 ns) verringert ist, was nur 83,6 % des Werts für ideal reparierte kugelförmige Schadensvertiefungen entspricht. Die Versuchsergebnisse stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein, da die Laserzerstörungsschwelle, der Lichtintensitätsverstärkungsfaktor und Szenarien von Laserschäden und Hotspots kombiniert berücksichtigt werden. Diese Ergebnisse könnten Kriterien für eine umfassende Bewertung der reparierten optischen Oberflächen liefern, die für die Massenfertigung und das Recycling von optischen Komponenten mit großer Apertur und hoher laserinduzierter Schadensschwelle in Hochleistungslasersystemen von Vorteil sind.

Zitierweise für diesen Artikel: Chen, M.-J. et al. Rolle von Werkzeugspuren in der durch Mikrofräsen erzeugten kugelförmigen Schadensvertiefung für die Reparaturqualität beschädigter KH2PO4-Kristalle. Wissenschaft. Rep. 5, 14422; doi: 10.1038/srep14422 (2015).

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Die Autoren möchten Dr. Sheng Jiang von der Ohio State University für ihre sorgfältige Lektüre und hilfreichen Kommentare zu diesem Papier danken. Sie möchten außerdem Herrn Yan-Quan Geng vom Micro/Nano Technology Research Center des Harbin Institute of Technology für seine Unterstützung beim Testen der Morphologie der Proben danken. Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Nr. 51275113) und dem National Science and Technology Major Project of China (Nr. 2013ZX04006011-215) gesponsert.

Chen Ming-Jun und Cheng Jian haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen.

Zentrum für Präzisionstechnik, School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001, China

Ming-Jun Chen, Jian Cheng, Jing-He Wang, Yong Xiao und Ming-Quan Li

Forschungszentrum für Laserfusion, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, 621900, China

Xiao-Dong Yuan, Wei Liao und Hai-Jun Wang

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

MJC und JC haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen. MJC und XDY konzipierten die Arbeit und überwachten die Erstellung des Manuskripts. JC, MJC und MQL führten die FDTD-Simulationen durch. WL, HJW, YX, JC und XDY haben die Laserschadenstests entworfen und die Daten analysiert. JHW, JC, YX und MJC stellten die KDP-Proben her und charakterisierten sie. JC hat das Manuskript mit Hilfe anderer Mitautoren verfasst. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Chen, MJ., Cheng, J., Yuan, XD. et al. Rolle von Werkzeugspuren in der durch Mikrofräsen erzeugten kugelförmigen Schadensvertiefung für die Reparaturqualität beschädigter KH2PO4-Kristalle. Sci Rep 5, 14422 (2015). https://doi.org/10.1038/srep14422

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Eingegangen: 13. Mai 2015

Angenommen: 28. August 2015

Veröffentlicht: 24. September 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep14422

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