上海光機所在激光高精度拋光機理及工藝研究中取得新進展

中國科學院上海光學精密機械研究所團隊在激光拋光技術研究中取得突破，揭示了激光拋光后面形惡化的多場耦合機理，并提出激光雙面拋光工藝，實現(xiàn)了亞納米精度、高損傷閾值熔石英元件的可控制造。

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光元件技術與工程部魏朝陽研究員團隊在激光高精度拋光機理及工藝研究中取得新進展。研究揭示了激光拋光后面形惡化的機理，并提出了激光雙面拋光工藝提升加工精度。相關研究成果以“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)代光學技術的發(fā)展，熔石英元件的紫外激光誘導損傷問題嚴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優(yōu)勢，有望實現(xiàn)高閾值熔石英元件的加工。然而，激光拋光受到熱應力的影響會產(chǎn)生不均勻的掃描軌跡，嚴重惡化面形質(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)力學的多物理場耦合模型，揭示了掃描軌跡的形成機制。研究表明，反沖壓力與馬蘭戈尼效應協(xié)同作用會誘發(fā)熔池振蕩并形成掃描軌跡。通過優(yōu)化拋光時間可以大幅下降表層粗糙度，同時避免掃描軌跡生成。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。實驗證實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理，更為實現(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。