综述：提高硬脆熔石英光学元件激光损伤抗性的光学制造技术挑战

这篇综述系统探讨了激光驱动惯性约束聚变（LD-ICF）中熔石英光学元件面临的激光诱导表面损伤（LISD）问题，总结了通过磁流变抛光（MRF）、湿化学蚀刻（WCE）等技术抑制表面/亚表面缺陷（SSD）的进展，并指出新型损伤前驱体（如化学结构缺陷）对激光损伤阈值（LIDT）提升的制约，为高性能硬脆光学元件制造提供了技术参考。

　　

熔石英光学元件的功能与制造要求

熔石英作为非晶态高纯SiO₂材料，以其高硬度、低热膨胀系数和优异的光学透射性能（351 nm波长下透射率达93%），成为激光驱动惯性约束聚变（LD-ICF）设施中大口径光学元件的核心材料。美国国家点火装置（NIF）的7648块米级光学元件需在极端环境下承受1.8 MJ、500 TW的紫外激光输出，其几何精度需控制在纳米级全波段空间误差范围内。然而，制造过程中产生的微划痕、微裂纹等缺陷会使实际激光损伤阈值（LIDT）远低于材料本征值（100 J/cm²），严重制约LD-ICF的能量输出提升。

全口径加工技术抑制表面缺陷

为追求“零缺陷”熔石英光学元件，磁流变抛光（MRF）通过柔性剪切力去除亚表面裂纹层，将LIDT提升至15.4 J/cm²（351 nm，3 ns），但可能引入铁颗粒残留；湿化学蚀刻（WCE）利用HF溶液腐蚀脆弱层，虽可消除机械应力却易形成微凹坑；而离子束刻蚀（IBE）通过物理溅射实现原子级去除，但效率低下。这些技术共同面临“缺陷-修复”悖论：加工过程可能产生再沉积物或化学结构缺陷等新型损伤前驱体。

点对点修复激光诱导损伤

针对已形成的激光诱导表面损伤（LISD），CO₂激光修复通过局部熔融重构损伤轮廓，但热应力会导致微裂纹再生；激光化学气相沉积（L-CVD）以SiCl₄为前驱体填补损伤坑，却面临沉积层与基体折射率匹配难题。NIF采用“光学元件循环策略”证明：当修复尺寸>20 μm的损伤点时，装置输出能量可提升22.2%，但未来实现>3.0 MJ点火目标需攻克20 μm以下微损伤修复技术。

激光损伤抗性提升技术的挑战

当前各技术实验室数据与工程化应用存在显著差距：MRF处理米级元件的效率不足，IBE的刻蚀均匀性难控制，而WCE的环保问题制约批量应用。更关键的是，所有技术均会引入次级缺陷——如等离子体刻蚀（PE）产生的Si⁺悬键会降低355 nm波段透射率，这些缺陷在10 J/cm²以上超高激光通量下可能成为新的损伤 nucleation sites。

结论与展望

熔石英光学元件的激光损伤抗性（LDR）提升是LD-ICF发展的关键技术瓶颈。未来需开发多技术协同工艺，例如MRF-WCE复合加工兼顾效率与表面质量，或结合人工智能实现损伤点的原位检测与自适应修复。随着激光通量向10 J/cm²以上迈进，对缺陷类型的认知需从宏观形貌向原子尺度电子态缺陷深化，这将推动硬脆光学材料制造进入“缺陷精准调控”的新阶段。