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上海光机所在离子束修形熔石英元件的抗辐射服役稳定性研究中取得新进展

中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部魏朝阳研究员团队在离子束修形熔石英元件的抗辐射服役稳定性研究中取得新进展。研究系统揭示了水化作用诱导离子束修形熔石英在伽马射线辐照下性能退化的微观机理。相关研究成果以“Mechanism of hydration-induced gamma-ray degradation in ion-beam-figured fused silica”为题发表于Optics Letters。

伴随着空间光学系统和高功率激光设施等极端环境应用的发展，熔石英元件的长期服役可靠性面临着严峻考验。目前，离子束修形（IBF）因具备原子级的材料去除能力，已成为高精度熔石英元件制造的不可或缺的技术。然而，高能离子轰击会产生优先溅射效应，导致表面脱氧并形成非化学计量的富硅层。在实际工程制造与服役中，这种修形后的表面在经过常规水洗及后续空间辐射（如伽马射线）的耦合作用下，会导致激光诱导损伤阈值（LIDT）显著下降，但其底层的原子级缺陷演化机理一直未被系统阐明。

图1.基于ReaxFF的羟基化过程分子动力学（MD）模拟：(a) 力-热耦合作用下的界面演变；

(b) 水解反应的原子尺度快照，显示水分子与ODC(I)反应生成Si-OH基团的过程；(c) 缺陷数量随时间的演化，揭示了从物理缺陷向羟基结构的转变。

为此，研究人员结合实验表征与ReaxFF分子动力学模拟，系统研究了“离子束修形-超声清洗-伽马射线辐照”这一顺序过程中的耦合缺陷演化机制。研究表明，性能退化遵循一条多步耦合路径：IBF首先诱导产生缺氧中心（富硅层），在随后的超声清洗中，水分子侵入并发生水化反应，将物理缺陷转化为化学硅羟基（Si-OH）；当暴露于伽马辐照时，这些羟基的O-H键优先断裂，生成大量非桥氧空穴中心（NBOHCs），从而显著增强紫外吸收并降低激光损伤阈值。对照实验进一步证实，未进行水化清洗的IBF样品在辐照后表现出明显更优的抗激光损伤能力，确认了“水”在形成辐射敏感前驱体中的关键媒介作用。该研究不仅阐明了从物理脱氧到水洗水化、再到辐射诱导缺陷形成的耦合退化机理，更为面向复杂辐射环境的高可靠性光学元件制造与后处理工艺优化提供了重要的理论框架。

图 2.水介导退化机制的实验验证： 对比了包含与不包含超声清洗的两种IBF工艺路径下，样品在伽马射线辐照后的 (a) 紫外透过率和 (b) 激光诱导损伤性能

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