上海光機(jī)所在激光高精度拋光機(jī)理及工藝研究中取得新進(jìn)展

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所團(tuán)隊(duì)在激光拋光技術(shù)研究中取得突破，揭示了激光拋光后面形惡化的多場耦合機(jī)理，并提出激光雙面拋光工藝，實(shí)現(xiàn)了亞納米精度、高損傷閾值熔石英元件的可控制造。

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光元件技術(shù)與工程部魏朝陽研究員團(tuán)隊(duì)在激光高精度拋光機(jī)理及工藝研究中取得新進(jìn)展。研究揭示了激光拋光后面形惡化的機(jī)理，并提出了激光雙面拋光工藝提升加工精度。相關(guān)研究成果以“Formation mechanism and suppression method of surface deterioration in CO2 laser polishing for fused silica”為題發(fā)表于Optics & Laser Technology。
伴隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熔石英元件的紫外激光誘導(dǎo)損傷問題嚴(yán)重制約了高功率激光系統(tǒng)的發(fā)展。目前，激光拋光由于具有非接觸、無加工輔料和加工靈活的技術(shù)優(yōu)勢，有望實(shí)現(xiàn)高閾值熔石英元件的加工。然而，激光拋光受到熱應(yīng)力的影響會產(chǎn)生不均勻的掃描軌跡，嚴(yán)重惡化面形質(zhì)量，下降元件的性能和壽命。
為此，研究人員建立了考慮固體傳熱、流體流動和結(jié)構(gòu)力學(xué)的多物理場耦合模型，揭示了掃描軌跡的形成機(jī)制。研究表明，反沖壓力與馬蘭戈尼效應(yīng)協(xié)同作用會誘發(fā)熔池振蕩并形成掃描軌跡。通過優(yōu)化拋光時(shí)間可以大幅下降表層粗糙度，同時(shí)避免掃描軌跡生成。此外，針對工業(yè)激光器功率波動造成的不可控掃描軌跡，提出激光雙面拋光的方法。實(shí)驗(yàn)證實(shí)激光雙面拋光可使面形RMS值從0.433λ降至0.194λ，粗糙度由0.371 nm改善至0.270 nm，且0%概率損傷閾值從19.4 J/cm2提升至21.2 J/cm2。該研究不僅闡明了激光拋光中面形惡化的多場耦合機(jī)理，更為實(shí)現(xiàn)亞納米精度、高損傷閾值熔石英元件的可控制造提供了工藝范式。
圖1?多物理場耦合模型示意圖
圖2?激光雙面拋光示意圖
圖3?面形結(jié)果：(a) 初始表層；(b) 激光單面拋光表層；(c) 激光雙面拋光表層。粗糙度結(jié)果：(d) 初始表層；(e) 激光單面拋光表層；(f) 激光雙面拋光表層。