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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)改變輻照能量密度和輻照次數(shù)來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)解譜的形式可以將其解析出來(lái)。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(guò)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。