近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所精密光學(xué)制造與檢測中心實(shí)驗(yàn)室，在激光近無應(yīng)力燒蝕理論及工藝研究中取得新進(jìn)展。該研究首次揭示了激光燒蝕過程中加工形貌和殘余熱應(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《光學(xué)快報》（Optics Express）上。

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)。而隨著光學(xué)元件表面質(zhì)量要求的不斷提升，子孔徑拋光技術(shù)不可避免地會引入雜質(zhì)污染，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挑戰(zhàn)。

該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，獲得了有/無熱應(yīng)力的加工判據(jù)。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(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好（誤差小于10%）。

本成果有助于剖析激光燒蝕過程，為實(shí)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。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和上海市啟明星揚(yáng)帆計(jì)劃等的支持。

論文鏈接

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(diǎn)的Von Mises應(yīng)力分布示意圖；

（b）a-e點(diǎn)Von Mises應(yīng)力的時間分布；

（c）a-e點(diǎn)在10000 μs時的Von Mises應(yīng)力；

（d）c點(diǎn)溫度及不同應(yīng)力分布，藍(lán)色的區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力區(qū)，橙色的區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力區(qū)。