Figur 1. Schematisk diagram för 2-D numerisk modell av CO 2 laserablation. Upphovsman:SIOM
Smält kiseldioxid är ett viktigt material för många tillämpningar inom optik och fotonik på grund av dess utmärkta optiska prestanda. Bearbetning av smält kiseldioxid med pulserad CO 2 laserablation ger möjlighet att konvertera en godtyckligt etsad stegstruktur till en kontinuerlig. Dock, uppnåendet av kontinuerliga optiska ytor med högsta precision med laserpulsablation kräver en balans mellan flera parametrar.
För att snabbt få de optimala parametrarna för toppmodern polering, en forskargrupp från Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics (SIOM) från Chinese Academy of Sciences (CAS) har nyligen utvecklat en numerisk modell baserad på finite-elementmetoden för att förutsäga den morfologiska utvecklingen av en stegstruktur på smält kiseldioxid under olika CO 2 laseruppvärmningsförhållanden. Deras resultat publicerades i Materials.
I experimentet, simuleringen fokuserade på den icke-explosiva laserablationen med laserintensitet i regimen ~ 0,1-1MW/cm 2 , där materialborttagning genom avdunstning dominerade, och okontrollerbar smältförskjutning och utkastning kunde undvikas. Således, den kritiska temperaturen för ytkonjunkturen var förångningströskeln för smält kiseldioxid vid normalt atmosfärstryck.
Enligt Hertz-Knudsen-Schrage-formeln, hastigheten för ytresession kan beräknas från den absorberade laserbestrålningen, materialets densitet och totala förändringen av entalpin som krävs för att förflyktiga materialet. Vidare, den omfattande ytdeformationen av en stegstruktur på smält kiseldioxid kan beräknas under olika parametrar baserat på metoden med ändligt element.
Figur 2. Morfologisk utveckling och temperaturprofil under ablationsprocessen. Upphovsman:SIOM
Jämförelsevis, det var att föredra att skaffa en polerad profil som var närmare den förväntade med mindre materialförlust. Med hjälp av den numeriska modellen, forskarna erhöll de optimala parametrarna för polering av stegstrukturen på smält kiseldioxid efter en jämförelse av de förutsagda ytmorfologierna under olika värmebetingelser.
Anta de optimerade parametrarna från den numeriska modellen, en typisk konformad stegstruktur med en diameter på 2 mm och en lutningsvinkel på 10,4 ° bearbetades via CO 2 pulserad laserablation, experimentellt. Morfologin för den bearbetade strukturen observerades och karakteriserades, och mätningarna stämde väl överens med de förutsagda värdena.
Dessa resultat indikerar att den numeriska modellen kan simulera morfologisk modifiering av CO 2 laserablation med hög tillförlitlighet. Det kan vidare användas för att optimera bearbetningsparametrar för anpassning av kontinuerliga smältade kiseldioxidytor, vilket skulle underlätta industriell tillverkning av friformsoptik.
