Fused silica is een belangrijk materiaal voor tal van toepassingen in de optica en fotonica vanwege de uitstekende optische prestaties. De verwerking van fused silica met gepulseerde CO ₂ laserablatie biedt de mogelijkheid om een ​​willekeurig geëtste stappenstructuur om te zetten in een continue structuur. Echter, het bereiken van continue optische oppervlakken met de hoogste precisie door laserpulsablatie vereist een balans van verschillende parameters.

Om snel de optimale parameters voor state-of-art polijsten te verkrijgen, een onderzoeksgroep van het Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics (SIOM) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) heeft onlangs een numeriek model ontwikkeld op basis van de eindige-elementenmethode voor het voorspellen van de morfologische evolutie van een stappenstructuur op fused silica onder verschillende CO ₂ laser verwarming voorwaarden. Hun bevindingen werden gepubliceerd in Materials.

In het experiment, de simulatie was gericht op de niet-explosieve laserablatie met laserintensiteit in het regime van ~ 0,1-1 MW/cm ² , waar materiaalverwijdering door verdamping domineert, en oncontroleerbare smeltverplaatsing en -uitstoot waren vermijdbaar. Dus, de kritische temperatuur van oppervlakterecessie was de verdampingsdrempel van gesmolten silica bij normale atmosferische druk.

Volgens de Hertz-Knudsen-Schrage-formule, de snelheid van oppervlakterecessie kon worden berekend uit de geabsorbeerde laserstraling, de dichtheid van het materiaal en de totale verandering van enthalpie die nodig is om het materiaal te vervluchtigen. verder, de uitgebreide oppervlaktevervorming van een stepping-structuur op fused silica kon worden berekend onder verschillende parameters op basis van de eindige-elementenmethode.

Ter vergelijking, het had de voorkeur om een ​​gepolijst profiel te verkrijgen dat dichter bij het verwachte profiel lag met minder materiaalverlies. Met behulp van het numerieke model, de onderzoekers verkregen de optimale parameters voor het polijsten van de stappenstructuur op fused silica na een vergelijking van de voorspelde oppervlaktemorfologieën onder verschillende hitteomstandigheden.

Door gebruik te maken van de geoptimaliseerde parameters die zijn verkregen uit het numerieke model, een typische kegelvormige trapstructuur met een diameter van 2 mm en een hellingshoek van 10,4° werd verwerkt via CO ₂ gepulseerde laserablatie experimenteel. De morfologie van de verwerkte structuur werd waargenomen en gekarakteriseerd, en de metingen kwamen goed overeen met de voorspelde waarden.

Deze resultaten geven aan dat het numerieke model morfologische modificatie van CO . kan simuleren ₂ laserablatie met een hoge mate van betrouwbaarheid. Het kan verder worden gebruikt om de verwerkingsparameters te optimaliseren voor het aanpassen van continue gesmolten silica-oppervlakken, die de industriële productie van vrije-vormoptieken zou kunnen vergemakkelijken.