基于高能激光的光学元件抛光工艺的研究

发布时间：2020-04-10 06:33

【摘要】：熔石英是光电子、微电子、光学以及光纤技术等行业的重要光学元件。在先进的功能性光电器件,如激光陀螺仪、软X射线仪、自由电子激光器以及激光聚变系统中,都对具有超光滑光学表面的熔石英元件有着迫切的需求。熔石英光学元件的制备流程包括研磨,抛光,以及其他的光学处理过程,其中最重要的便是超光滑抛光工艺。传统的超光滑抛光技术如浴法抛光、浮法抛光、等离子体抛光、微流体喷射抛光等仍然具有一定的局限性,如表面划痕、微缺陷等,且加工效率较低、操作难度大。激光抛光作为一种新型的超光滑抛光工艺,由于其具有非接触性、高灵活性、高效性以及局部修复等优点,近年来已经在金属、陶瓷等材料的表面处理和裂纹控制上得到了广泛的应用。本文通过理论仿真结合实验的方法,研究连续CO_2激光器对熔石英元件表面进行抛光的工艺。分析了激光功率、激光束半径、激光扫描速度以及熔石英元件的初始表面粗糙度等参数对激光抛光效果的影响。主要研究内容包括以下几点:(1)激光抛光过程中温度场的研究。利用有限元软件COMSOL对激光与熔石英材料相互作用时的温度场进行了定点类型和扫描类型的仿真,得到了不同工艺参数,如激光功率、激光束半径、扫描速度、扫描间距、相互作用时间等作用下的温度场分布。总结出各个参数变化对温度场分布的影响规律,激光作用点处最高温度与激光功率、相互作用时间成正比关系,与激光束半径扫描速度成反比关系。(2)激光抛光过程中表面微流动现象的研究。利用COMSOL建立了传热与流体力学耦合的多物理场模型,模拟了激光照射于熔石英表面时材料相变,产生流动行为的过程。发现表面张力是激光抛光的关键因素,它避免了马拉高尼效应作用下熔池边界的物质堆积,而马拉高尼效应则有效的消除了熔池中间部分的凸起。此外,通过设定不同的模型参数(激光功率、表面轮廓形状、表面轮廓振幅、表面轮廓频率、激光能量分布形式(Gaussian型、Flat-top型))分析得到了各参数变化对抛光表面粗糙度的影响规律。(3)使用连续CO_2激光器进行了熔石英表面激光抛光的实验研究。针对激光功率、激光扫描速度对抛光效果的影响,进行了单因素实验。实验研究获得了激光斑为短轴2mm长轴3mm的椭圆时的最佳参数组合。在激光功率为28W,扫描速度为0.1mm/s的参数组合下,成功地将150nm粗糙度的金刚石砂轮磨削初始表面抛光到了1.5nm粗糙度。
【图文】：

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1 绪论波长与粗糙度的关系。他们发现较长的相互作用时间可以得到最佳的抛光效可以使得熔石英表面粗糙度降低至常规抛光样品以下。但是，较高的冷却速力导致了表面形成波纹，针对该问题他们提出了对熔石英进行预热来降低表望。2011 年，德国学者 J.Hildebrand 等人结合仿真与实验详细地分析了 CO2英玻璃过程中进给速度、激光功率和扫描速度等因素对抛光效果的影响[37]激光抛光的高效性，取得了初始粗糙度从 RMS=600nm 到 RMS 小于 10nm2014年德国学者Heidrich和他的研究小组报道了激光加工自由光学元件的工为其示意图。该工艺链通过使用不同参数的激光组合实现了光学元件的成型度的降低，成功制备了具有高精度自由曲面的熔石英光学元件。

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图 1.2 论文研究思路排五章，每章主要内容如下：绪论。本章主要介绍了课题的研究背景和意义，对传统的熔石了激光抛光工艺的国内外研究现状以及激光抛光的原理和优势路和主要研究内容。激光抛光熔石英的温度场仿真。本章建立了激光照射熔石英的类型分别计算了不同激光参数，如激光功率、光斑半径和工艺距、相互作用时间等变化下的熔石英温度分布。激光抛光熔石英的物理机制研究。本章建立了激光辐照下熔石型。该模型耦合了固体传热、材料相变、流体流动等物理场，、振幅、形状的波形组合，将激光参数归纳为激光功率密度，工艺参数（激光功率、表面轮廓形状、表面轮廓振幅、表面轮ssian、Flat-top））下的熔石英表面粗糙度变化规律。
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN249;TH74

【参考文献】