CO2 -laserablation fører en ny vej til skræddersyede kontinuerlige smeltede silicaoverflader

Smeltet silica er et vigtigt materiale til mange anvendelser inden for optik og fotonik på grund af dets fremragende optiske ydeevne. Forarbejdning af smeltet silica med pulseret CO ₂ laserablation giver mulighed for at konvertere en vilkårligt ætset trinstruktur til en kontinuerlig. Imidlertid, opnåelse af kontinuerlige optiske overflader med den højeste præcision ved laserpulsablation kræver en balance mellem flere parametre.

For hurtigt at opnå de optimale parametre for topmoderne polering, en forskergruppe fra Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics (SIOM) fra det kinesiske videnskabsakademi (CAS) har for nylig udviklet en numerisk model baseret på den endelige elementmetode til forudsigelse af den morfologiske udvikling af en skridtstruktur på smeltet silica under forskellige CO ₂ laseropvarmningsforhold. Deres resultater blev offentliggjort i Materials.

I forsøget, simuleringen fokuserede på den ikke-eksplosive laserablation med laserintensitet i regimet på ~ 0,1-1MW/cm ² , hvor materialefjernelse ved fordampning dominerede, og ukontrollabel smelteforskydning og udslyngning kunne undgås. Dermed, den kritiske temperatur for overfladekonjunktur var fordampningstærsklen for smeltet silica ved normalt atmosfærisk tryk.

Ifølge Hertz-Knudsen-Schrage-formlen, overfladekonjunkturhastigheden kunne beregnes ud fra den absorberede laserbestråling, materialets densitet og totale ændring af entalpi, der kræves for at flygtige materialet. Ydermere, den omfattende overflade deformation af en trinkonstruktion på fusioneret silica kunne beregnes under forskellige parametre baseret på metoden med endelig element.

Forholdsvis det var at foretrække at anskaffe en poleret profil, der var tættere på den forventede med mindre materielt tab. Ved hjælp af den numeriske model, forskerne opnåede de optimale parametre til polering af trinstrukturen på smeltet silica efter en sammenligning af de forudsagte overflademorfologier under forskellige varmeforhold.

Vedtagelse af de optimerede parametre erhvervet fra den numeriske model, en typisk kegleformet trinkonstruktion med en diameter på 2 mm og en hældningsvinkel på 10,4 ° blev behandlet via CO ₂ pulserende laserablation eksperimentelt. Morfologien for den forarbejdede struktur blev observeret og karakteriseret, og målingerne var i god overensstemmelse med de forudsagte værdier.

Disse resultater indikerer, at den numeriske model kan simulere morfologisk ændring af CO ₂ laserablation med en høj grad af pålidelighed. Det kunne yderligere bruges til at optimere behandlingsparametre til tilpasning af kontinuerte smeltede silicaoverflader, hvilket kunne lette industriel fremstilling af friformsoptik.