近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部魏朝阳研究员团队在激光高精度抛光机理及工艺研究中取得新进展。研究揭示了激光抛光后面形恶化的机理，并提出了激光双面抛光工艺提升加工精度。相关研究成果以“Formation mechanism and suppression method of surface deterioration in CO2 laser polishing for fused silica”为题发表于Optics & Laser Technology。
伴随着现代光学技术的发展，熔石英元件的紫外激光诱导损伤问题严重制约了高功率激光系统的发展。目前，激光抛光由于具有非接触、无加工辅料和加工灵活的技术优势，有望实现高阈值熔石英元件的加工。然而，激光抛光受到热应力的影响会产生不均匀的扫描轨迹，严重恶化面形质量，降低元件的性能和寿命。 为此，研究人员建立了考虑固体传热、流体流动和结构力学的多物理场耦合模型，揭示了扫描轨迹的形成机制。
研究表明，反冲压力与马兰戈尼效应协同作用会诱发熔池振荡并形成扫描轨迹。通过优化抛光时间可以大幅降低表面粗糙度，同时避免扫描轨迹生成。此外，针对工业激光器功率波动导致的不可控扫描轨迹，提出激光双面抛光的方法。实验证实激光双面抛光可使面形RMS值从0.433λ降至0.194λ，粗糙度由0.371 nm改善至0.270 nm，且0%概率损伤阈值从19.4 J/cm²提升至21.2 J/cm²。该研究不仅阐明了激光抛光中面形恶化的多场耦合机理，更为实现亚纳米精度、高损伤阈值熔石英元件的可控制造提供了工艺范式。
图1 多物理场耦合模型示意图
图2 激光双面抛光示意图
图3 面形结果：(a) 初始表面；(b) 激光单面抛光表面；(c) 激光双面抛光表面。粗糙度结果：(d) 初始表面；(e) 激光单面抛光表面；(f) 激光双面抛光表面。
