近期，中科院上海光機所精密光學制造與檢測中心實驗室在激光近無應力燒蝕理論及工藝方面取得新進展。研究首次揭示了激光燒蝕過程中加工形貌及殘余熱應力的分布行為及演變規(guī)律。相關研究成果以“Theoretical and experimental investigations in thermo-mechanical properties of fused silica with pulsed CO2 laser ablation”為題發(fā)表在Optics Express上。

伴隨著現(xiàn)代光學技術的發(fā)展，熔石英光學元件被廣泛應用于高功率激光系統(tǒng)中，但隨著光學元件表面質(zhì)量要求的不斷提升，目前的子孔徑拋光技術不可避免地會引入雜質(zhì)污染，嚴重影響了元件在高功率光學系統(tǒng)中的性能。當前，激光加工具有非接觸和無拋光輔料的優(yōu)勢，有望成為突破現(xiàn)有加工瓶頸的關鍵技術，但現(xiàn)有的激光燒蝕和激光拋光技術均會引入殘余熱應力，嚴重縮短元件的使用壽命，對激光精密加工提出了巨大的挑戰(zhàn)。

針對上述問題，研究建立了激光燒蝕的三維多物理場耦合模型，通過光學遲滯和應力雙折射對燒蝕后的熱應力進行了量化，成功獲得了有/無熱應力的加工判據(jù)。同時，該模型揭示了不同加工參數(shù)下應力及形貌的時間/空間分布及其演變規(guī)律，得到的模擬結果與實驗結果吻合較好，誤差小于10%。

圖1.三維多物理場耦合模型示意圖。

圖2.激光掃描路徑的應力分布。(a)a-e點的Von Mises應力分布示意圖；(b)a-e點Von Mises應力的時間分布；(c) a-e點在10000 μs時的Von Mises應力；(d) c點溫度及不同應力分布，藍色區(qū)域為拉應力區(qū)，橙色區(qū)域為壓應力區(qū)。

本研究有助于深入了解激光燒蝕過程，為實現(xiàn)高表面質(zhì)量和近無熱應力的激光燒蝕奠定了理論基礎，對光學元件超精密制造有重要意義。

相關工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市啟明星揚帆計劃等基金的支持。

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