Лазерный мир

Плавленый кварц является важным материалом для многочисленных применений в оптике и фотонике благодаря своим превосходным оптическим характеристикам. Обработка плавленого кварца импульсной СО2 -лазерной абляцией дает возможность преобразовать ступенчатую структуру произвольно травленного кварца в сплошную — непрерывную. Однако достижение непрерывных оптических поверхностей с наивысшей точностью путем лазерной абляции требует баланса нескольких параметров.

Чтобы быстро получить оптимальные параметры для полировки по последнему слову техники, исследовательская группа из Шанхайского института оптики и точной механики (SIOM) Академии наук Китая (CAS) недавно разработала численную модель, основанную на конечно- элементном методе прогнозирования морфологической эволюции ступенчатой структуры на плавленом кварце при различных условиях нагрева СО2-лазером. Их выводы были опубликованы в Materials.

В эксперименте моделирование было сосредоточено на невзрывной лазерной абляции с интенсивностью лазерного излучения в режиме ~ 0,1-1 МВт / см2, где преобладали удаление материала испарением, а неконтролируемое перемещение и выброс расплава были предотвращены. Таким образом, критической температурой поверхностного спада был порог испарения плавленого кварца при нормальном атмосферном давлении.

Согласно формуле Герца-Кнудсена-Шраге, скорость углубления поверхности может быть рассчитана по поглощенному лазерному облучению, плотности материала и полному изменению энтальпии, необходимой для улетучивания материала. Кроме того, полная деформация поверхности ступенчатой структуры на плавленом кварце может быть рассчитана при различных параметрах на основе метода конечных элементов.

Для сравнения было предпочтительнее приобрести полированный профиль, который был бы ближе к ожидаемому с меньшими  потерями материала. Используя численную модель, исследователи получили оптимальные параметры для полировки ступенчатой структуры на плавленом кварце после сравнения предсказанных морфологий поверхности при различных условиях нагрева.

Приняв оптимизированные параметры, полученные из численной модели, экспериментально с помощью импульсной CO2-лазерной абляции была обработана типичная коническая ступенчатая структура диаметром 2 мм и углом наклона 10,4 °. Морфология обработанной структуры наблюдалась и характеризовалась, и измерения находились в хорошем согласии с предсказанными значениями.

Эти результаты показывают, что численная модель может моделировать морфологическую модификацию СО2-лазерной абляции с высокой степенью достоверности. Кроме того, модель можно использовать для оптимизации параметров обработки для настройки непрерывных поверхностей из плавленого кварца, что может облегчить промышленное производство оптики свободной формы.

Эта работа была поддержана Комиссией по науке и технике Шанхайского муниципалитета.

Источник: Китайская академия наук

Источник: https://www.photonicsonline.com/doc/co-laser-ablation-leads-a-novel-path-to-customized-continuous-fused-silica-surfaces-0001