在真空環(huán)境下利用紫外脈沖激光對(duì)熔石英元件表面進(jìn)行了低于損傷閾值的輻照，通過X 射線光電子能譜對(duì)激光誘導(dǎo)的表面氧空位進(jìn)行了精細(xì)表征。研究結(jié)果表明：在10^-3Pa 的高真空環(huán)境下熔石英表面易受紫外激光激勵(lì)形成低結(jié)合能的O1s( 531 eV) ，這種非穩(wěn)定結(jié)構(gòu)在后續(xù)紫外脈沖激光輻照下會(huì)出現(xiàn)Si-O 鍵斷裂從而產(chǎn)生氧空位，氧空位產(chǎn)生的程度取決于激光脈沖能量、發(fā)次以及真空度，且對(duì)熔石英元件的抗損傷性能有顯著的負(fù)面影響。

　　透明熔石英材料因具備紫外吸收小、化學(xué)性能穩(wěn)定、抗激光損傷能力強(qiáng)等特性而被用作紫外激光傳輸?shù)氖走x材料，如在用于慣性約束聚變研究的高功率固體激光裝置中，熔石英是當(dāng)前唯一可應(yīng)用于終端光學(xué)組件的紫外激光高負(fù)載材料; 基于準(zhǔn)分子激光器的脈沖激光沉積(PLD) 系統(tǒng)也常用熔石英元件作為真空靶室窗口玻璃。熔石英在大氣環(huán)境下可通過紫外脈沖激光預(yù)輻照提高抗損傷性能，但真空環(huán)境下的紫外激光輻照卻能導(dǎo)致抗損傷性能的下降。過去的相關(guān)研究對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了初步探索，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上證實(shí)了高真空環(huán)境下的紫外脈沖激光輻照能夠?qū)е氯凼�英元件表面出現(xiàn)氧空位，該類缺陷增強(qiáng)了熔石英表面對(duì)紫外脈沖激光的吸收，從而降低元件的抗損傷能力，但已有的相關(guān)工作對(duì)于氧空位產(chǎn)生的機(jī)制仍缺乏進(jìn)一步的研究。因此，深入研究真空環(huán)境下熔石英元件在紫外脈沖激光作用下表面氧空位的演變規(guī)律及其誘導(dǎo)機(jī)制對(duì)紫外激光系統(tǒng)的真空應(yīng)用顯得尤為重要。

　　本次研究利用紫外脈沖激光在真空環(huán)境下對(duì)熔石英元件表面進(jìn)行輻照，通過改變輻照能量密度和輻照次數(shù)來改變表面氧缺陷的誘導(dǎo)條件，利用X 射線光電子能譜儀(XPS) 對(duì)熔石英表面氧缺陷的變化規(guī)律進(jìn)行了表征，在對(duì)表征數(shù)據(jù)進(jìn)行解譜后明確了氧空位產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)制，并進(jìn)一步驗(yàn)證了氧空位對(duì)熔石英元件抗損傷性能的影響。研究結(jié)果有助于進(jìn)一步理解真空環(huán)境下紫外脈沖激光誘導(dǎo)的熔石英元件表面損傷。

1、研究方法

　　實(shí)驗(yàn)過程中使用了一臺(tái)YAG 紫外脈沖激光器作為氧缺陷誘導(dǎo)光源，其輸出波長(zhǎng)為355 nm、能量2.5J、脈沖寬度9.3 ns、頻率1 Hz。針對(duì)研究需求，將熔石英樣品放置于真空度可調(diào)的真空室內(nèi)，樣品座放置于電動(dòng)二維平移臺(tái)上，紫外脈沖激光匯聚后從真空室窗口導(dǎo)入引至樣品表面，靶室外的長(zhǎng)距離顯微鏡可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品表面激光輻照區(qū)域的變化，通過調(diào)節(jié)樣品離焦量和激光器的輸出能量，確保樣品表面的激光輻照能量始終低于損傷閾值，脈沖激光透過樣品后在真空室內(nèi)到達(dá)焦點(diǎn)，發(fā)散后在導(dǎo)出窗口底部被吸收體吸收。具體的光路示意圖如圖1 所示。

圖1 研究裝置示意圖

　　由于研究的重心是紫外脈沖激光對(duì)熔石英表面氧空位的影響，因此必須防止制樣過程中的樣品發(fā)生激光損傷。采取的措施是制樣前首先在真空環(huán)境下準(zhǔn)確測(cè)試出樣品的激光損傷閾值，并確保在后續(xù)制樣過程中樣品接受的最高輻照能量位于亞損傷閾值水平并留有一定余量。由于研究過程中采用了最高2.5 J 能量的355 nm 激光脈沖，在確保靶面能量密度滿足要求的情況下，靶面光斑口徑達(dá)到了Φ4mm，能量均勻性為平頂分布。

　　在熔石英表面氧空位的表征方面，采用了X 射線光電子能譜儀(XPS) ，該設(shè)備已被廣泛應(yīng)用于材料表面化學(xué)結(jié)構(gòu)和元素化學(xué)價(jià)態(tài)的分析。XPS的分析射線源使用Al Kα 射線，光子能量1486.6eV，光斑面積為500 μm²，儀器樣品室的真空度為8× 10^-9 Pa。通過測(cè)量熔石英表面XPS 窄譜中各譜線的強(qiáng)度，可以計(jì)算出樣品表面激光輻照區(qū)域的Si、O相對(duì)含量。熔石英表面在10^-3 Pa 真空中經(jīng)過紫外脈沖激光輻照后獲得的XPS 圖譜如圖2 所示。

圖2 利用XPS 表征的熔石英表面典型的Si、O 圖譜

　　圖2 給出了熔石英表面的O1s 峰和Si2p 峰，其結(jié)合能分別為532.5 和10² eV，在這其中有可能包含次級(jí)峰，通過解譜的形式可以將其解析出來。解譜結(jié)果表明：在532.5 eV 的O1s 峰中包含著低結(jié)合能(531 eV) 的次級(jí)峰，而Si2p 圖譜能被解譜為101.5 和103.5 eV 的兩個(gè)特征峰，其中103.5 eV 結(jié)合能的特征峰對(duì)應(yīng)Si4 + ，而101.5 eV 結(jié)合能特征峰對(duì)應(yīng)Si2 +，解譜后的分峰在圖中分別以細(xì)實(shí)線和細(xì)虛線標(biāo)識(shí)。由于低結(jié)合能的O1s 可以反映熔石英表面的非橋接氧(NBO) ，因此在后續(xù)的研究過程當(dāng)中被作為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。

3、結(jié)論

　　在10^-3Pa 的高真空環(huán)境下，受分子自由程加大的影響，熔石英表面的部分Si-O 鍵較為容易在UV 激光光子能量的激勵(lì)下出現(xiàn)不穩(wěn)定的結(jié)合，從而形成以NBO 形式存在的低結(jié)合能的O1s，該部分氧原子容易受到后續(xù)UV 脈沖激光多光子電離作用的影響而出現(xiàn)解離，從而形成新的ODC 缺陷。ODC程度受激光脈沖能量以及脈沖發(fā)次的增加而增加，最終逐漸趨于飽和，10³ Pa 低真空及大氣條件下不易誘導(dǎo)ODC 缺陷。最終的損傷測(cè)試表明：在模擬多脈沖輻照的損傷測(cè)試情況下，10^-3Pa 的高真空環(huán)境下?lián)p傷閾值下降幅度顯著高于10³Pa 低真空及大氣條件，這與高真空環(huán)境下ODC 程度的增加有直接關(guān)系。