近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所精密光學(xué)制造與檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室在激光近無(wú)應(yīng)力燒蝕理論及工藝研究中取得新進(jìn)展。研究首次揭示了激光燒蝕過(guò)程中加工形貌及殘余熱應(yīng)力的分布行為及演變規(guī)律。相關(guān)研究成果以“Theoretical and experimental investigations in thermo-mechanical properties of fused silica with pulsed CO2 laser ablation”為題發(fā)表在Optics Express上。

伴隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熔石英光學(xué)元件被廣泛應(yīng)用于高功率激光系統(tǒng)中，但隨著光學(xué)元件表面質(zhì)量要求的不斷提升，目前的子孔徑拋光技術(shù)不可避免地會(huì)引入雜質(zhì)污染，嚴(yán)重影響了元件在高功率光學(xué)系統(tǒng)中的性能。當(dāng)前，激光加工具有非接觸和無(wú)拋光輔料的優(yōu)勢(shì)，有望成為突破現(xiàn)有加工瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)，但現(xiàn)有的激光燒蝕和激光拋光技術(shù)均會(huì)引入殘余熱應(yīng)力，嚴(yán)重縮短元件的使用壽命，對(duì)激光精密加工提出了巨大的挑戰(zhàn)。

圖1 三維多物理場(chǎng)耦合模型示意圖。

針對(duì)上述問(wèn)題，研究建立了激光燒蝕的三維多物理場(chǎng)耦合模型，通過(guò)光學(xué)遲滯和應(yīng)力雙折射對(duì)燒蝕后的熱應(yīng)力進(jìn)行了量化，成功獲得了有/無(wú)熱應(yīng)力的加工判據(jù)。同時(shí)，該模型揭示了不同加工參數(shù)下應(yīng)力及形貌的時(shí)間/空間分布及其演變規(guī)律，得到的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差小于10%。

本研究有助于深入了解激光燒蝕過(guò)程，為實(shí)現(xiàn)高表面質(zhì)量和近無(wú)熱應(yīng)力的激光燒蝕奠定了理論基礎(chǔ)，對(duì)光學(xué)元件超精密制造有重要意義。

圖2激光掃描路徑的應(yīng)力分布。(a)a-e點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力分布示意圖；(b)a-e點(diǎn)Von Mises應(yīng)力的時(shí)間分布；(c) a-e點(diǎn)在10000 μs時(shí)的Von Mises應(yīng)力；(d) c點(diǎn)溫度及不同應(yīng)力分布，藍(lán)色區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力區(qū)，橙色區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力區(qū)。