基于高能激光的光学元件抛光工艺的研究

论文摘要

熔石英是光电子、微电子、光学以及光纤技术等行业的重要光学元件。在先进的功能性光电器件,如激光陀螺仪、软X射线仪、自由电子激光器以及激光聚变系统中,都对具有超光滑光学表面的熔石英元件有着迫切的需求。熔石英光学元件的制备流程包括研磨,抛光,以及其他的光学处理过程,其中最重要的便是超光滑抛光工艺。传统的超光滑抛光技术如浴法抛光、浮法抛光、等离子体抛光、微流体喷射抛光等仍然具有一定的局限性,如表面划痕、微缺陷等,且加工效率较低、操作难度大。激光抛光作为一种新型的超光滑抛光工艺,由于其具有非接触性、高灵活性、高效性以及局部修复等优点,近年来已经在金属、陶瓷等材料的表面处理和裂纹控制上得到了广泛的应用。本文通过理论仿真结合实验的方法,研究连续CO2激光器对熔石英元件表面进行抛光的工艺。分析了激光功率、激光束半径、激光扫描速度以及熔石英元件的初始表面粗糙度等参数对激光抛光效果的影响。主要研究内容包括以下几点:（1）激光抛光过程中温度场的研究。利用有限元软件COMSOL对激光与熔石英材料相互作用时的温度场进行了定点类型和扫描类型的仿真,得到了不同工艺参数,如激光功率、激光束半径、扫描速度、扫描间距、相互作用时间等作用下的温度场分布。总结出各个参数变化对温度场分布的影响规律,激光作用点处最高温度与激光功率、相互作用时间成正比关系,与激光束半径扫描速度成反比关系。（2）激光抛光过程中表面微流动现象的研究。利用COMSOL建立了传热与流体力学耦合的多物理场模型,模拟了激光照射于熔石英表面时材料相变,产生流动行为的过程。发现表面张力是激光抛光的关键因素,它避免了马拉高尼效应作用下熔池边界的物质堆积,而马拉高尼效应则有效的消除了熔池中间部分的凸起。此外,通过设定不同的模型参数（激光功率、表面轮廓形状、表面轮廓振幅、表面轮廓频率、激光能量分布形式（Gaussian型、Flat-top型））分析得到了各参数变化对抛光表面粗糙度的影响规律。（3）使用连续CO2激光器进行了熔石英表面激光抛光的实验研究。针对激光功率、激光扫描速度对抛光效果的影响,进行了单因素实验。实验研究获得了激光斑为短轴2mm长轴3mm的椭圆时的最佳参数组合。在激光功率为28W,扫描速度为0.1mm/s的参数组合下,成功地将150nm粗糙度的金刚石砂轮磨削初始表面抛光到了1.5nm粗糙度。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 课题背景
•   1.2 激光抛光原理和优势
•   1.3 熔石英元件抛光技术国内外研究现状
•     1.3.1 现有熔石英抛光技术概述
•     1.3.2 激光抛光技术研究现状
•   1.4 论文主要研究内容及章节安排
•     1.4.1 课题研究内容
•     1.4.2 章节安排
•   1.5 本章小结
• 2激光作用下的熔石英温度场仿真'>2 CO₂激光作用下的熔石英温度场仿真
•   2.1 定点照射模型
•     2.1.1 定点照射模型参数设置
•     2.1.2 激光定点照射模型
•   2.2 扫描模型
•     2.2.1 温度场随激光功率的变化
•     2.2.2 温度场随扫描速度的变化
•     2.2.3 温度场随激光斑半径的变化
•     2.2.4 扫描路径间距对激光能量叠加的影响
•     2.2.5 相互作用时间与扫描速度的关系
•   2.3 热应力
•     2.3.1 热应力仿真
•     2.3.2 热应力的控制方法
•   2.4 本章小结
• 3 激光抛光过程中的微流动仿真
•   3.1 微流动模型边界条件设置
•   3.2 微熔池内各作用力对抛光效果的影响
•   3.3 不同初始表面轮廓参数对抛光效果的影响
•     3.3.1 不同表面轮廓形状对抛光效果的影响
•     3.3.2 不同表面轮廓周期对抛光效果的影响
•     3.3.3 不同表面轮廓峰-谷值对抛光效果的影响
•     3.3.4 不同入射激光参数对抛光效果的影响
•   3.4 定点烧蚀模型
•   3.5 本章小结
• 4 激光抛光熔石英工艺研究
•   4.1 实验平台结构
•     4.1.1 激光束型检测
•     4.1.2 抛光过程的温度检测
•   4.2 实验样片的制备和清洗
•   4.3 熔石英表面质量评价参数及检测设备介绍
•     4.3.1 表面评价参数
•     4.3.2 粗糙度检测
•   4.4 实验结果分析
•     4.4.1 扫描速度对粗糙度影响规律的研究
•     4.4.2 激光功率对粗糙度影响规律的研究
•   4.5 损伤测试
•   4.6 本章小结
• 5 结论
•   5.1 主要结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘朋朋

导师: 刘卫国

关键词: 熔石英元件,激光平滑技术,有限元仿真,温度场,流体场,表面粗糙度

来源: 西安工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,仪器仪表工业,无线电电子学

单位: 西安工业大学

分类号: TN249;TH74

DOI: 10.27391/d.cnki.gxagu.2019.000011

总页数: 79

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