近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光元件技術(shù)與工程部研究團(tuán)隊(duì)在激光層析燒蝕去除并表征亞表面缺陷研究中取得進(jìn)展。研究首次揭示了亞表面缺陷在激光逐層燒蝕下的演化規(guī)律。相關(guān)研究成果以“Evolution mechanism of subsurface damage during laser machining process of fused silica”為題發(fā)表于Optics Express。

伴隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熔石英元件紫外激光誘導(dǎo)損傷問題嚴(yán)重制約了高功率激光系統(tǒng)的發(fā)展。目前接觸式研拋工藝不可避免地會(huì)產(chǎn)生亞表面缺陷，且難以被后處理完全去除，這嚴(yán)重縮短了熔石英元件使用壽命。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的亞表面缺陷檢測(cè)方法只能對(duì)局部信息進(jìn)行間接測(cè)量，難以表征深亞表面缺陷。

在之前的研究中【Light: Advanced Manufacturing 4(3),181-194 (2023),Optics Express 31(22),36359-36375 (2023)】，研究團(tuán)隊(duì)基于微秒脈沖激光低應(yīng)力均勻燒蝕技術(shù)提出了激光層析燒蝕表征亞表面缺陷的方法，并將其耦合到材料快速去除過程中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞表面缺陷深度、分布等信息的定量獲取及有效去除。

在本項(xiàng)工作中，研究人員建立了考慮光場(chǎng)調(diào)制的激光層析燒蝕多物理場(chǎng)模型，并采用飛秒激光預(yù)制了不同形貌的亞表面缺陷，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)亞表面缺陷深度數(shù)值，揭示亞表面缺陷在激光逐層燒蝕下的演化規(guī)律，并提出亞表面缺陷深度演變的三個(gè)階段。這表明采用本方法不會(huì)導(dǎo)致亞表面缺陷的延伸，從而驗(yàn)證了利用激光層析燒蝕去除并表征亞表面缺陷的可行性與準(zhǔn)確性。

相關(guān)工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市揚(yáng)帆計(jì)劃等基金的支持。

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圖1 亞表面缺陷預(yù)制及激光層析燒蝕表征亞表面缺陷過程

圖2 激光層析燒蝕多物理場(chǎng)模型

圖3 亞表面缺陷演變規(guī)律