近期，中科院上海光機(jī)所精密光學(xué)制造與檢測中心實驗室在激光近無應(yīng)力燒蝕理論及工藝方面取得新進(jìn)展。研究首次揭示了激光燒蝕過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拋光輔料的優(yōu)勢，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)均會引入殘余熱應(yīng)力，嚴(yán)重縮短元件的使用壽命，對激光精密加工提出了巨大的挑戰(zhàn)。

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

圖1.三維多物理場耦合模型示意圖。

圖2.激光掃描路徑的應(yīng)力分布。(a)a-e點的Von Mises應(yīng)力分布示意圖；(b)a-e點Von Mises應(yīng)力的時間分布；(c) a-e點在10000 μs時的Von Mises應(yīng)力；(d) c點溫度及不同應(yīng)力分布，藍(lán)色區(qū)域為拉應(yīng)力區(qū)，橙色區(qū)域為壓應(yīng)力區(qū)。

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

相關(guān)工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市啟明星揚帆計劃等基金的支持。

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