近期，中科院上海光機(jī)所高功率激光元件技術(shù)與工程部魏朝陽(yáng)研究員團(tuán)隊(duì)在激光高精度拋光機(jī)理及工藝研究中取得新進(jìn)展。研究揭示了激光拋光后面形惡化的機(jī)理，并提出了激光雙面拋光工藝提升加工精度。相關(guān)研究成果以“Formation mechanism and suppression method of surface deterioration in CO2 laser polishing for fused silica”為題發(fā)表于Optics & Laser Technology。

伴隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熔石英元件的紫外激光誘導(dǎo)損傷問(wèn)題嚴(yán)重制約了高功率激光系統(tǒng)的發(fā)展。目前，激光拋光由于具有非接觸、無(wú)加工輔料和加工靈活的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有望實(shí)現(xiàn)高閾值熔石英元件的加工。然而，激光拋光受到熱應(yīng)力的影響會(huì)產(chǎn)生不均勻的掃描軌跡，嚴(yán)重惡化面形質(zhì)量，降低元件的性能和壽命。

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圖1.多物理場(chǎng)耦合模型示意圖

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圖2.激光雙面拋光示意圖

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圖3.面形結(jié)果：(a) 初始表面；(b) 激光單面拋光表面；(c) 激光雙面拋光表面。粗糙度結(jié)果：(d) 初始表面；(e) 激光單面拋光表面；(f) 激光雙面拋光表面。

為此，研究人員建立了考慮固體傳熱、流體流動(dòng)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的多物理場(chǎng)耦合模型，揭示了掃描軌跡的形成機(jī)制。研究表明，反沖壓力與馬蘭戈尼效應(yīng)協(xié)同作用會(huì)誘發(fā)熔池振蕩并形成掃描軌跡。通過(guò)優(yōu)化拋光時(shí)間可以大幅降低表面粗糙度，同時(shí)避免掃描軌跡生成。此外，針對(duì)工業(yè)激光器功率波動(dòng)導(dǎo)致的不可控掃描軌跡，提出激光雙面拋光的方法。實(shí)驗(yàn)證實(shí)激光雙面拋光可使面形RMS值從0.433λ降至0.194λ，粗糙度由0.371 nm改善至0.270 nm，且0%概率損傷閾值從19.4 J/cm²提升至21.2 J/cm²。該研究不僅闡明了激光拋光中面形惡化的多場(chǎng)耦合機(jī)理，更為實(shí)現(xiàn)亞納米精度、高損傷閾值熔石英元件的可控制造提供了工藝范式。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.113007