【摘要】：熔石英是光電子、微電子、光學以及光纖技術等行業(yè)的重要光學元件。在先進的功能性光電器件,如激光陀螺儀、軟X射線儀、自由電子激光器以及激光聚變系統(tǒng)中,都對具有超光滑光學表面的熔石英元件有著迫切的需求。熔石英光學元件的制備流程包括研磨,拋光,以及其他的光學處理過程,其中最重要的便是超光滑拋光工藝。傳統(tǒng)的超光滑拋光技術如浴法拋光、浮法拋光、等離子體拋光、微流體噴射拋光等仍然具有一定的局限性,如表面劃痕、微缺陷等,且加工效率較低、操作難度大。激光拋光作為一種新型的超光滑拋光工藝,由于其具有非接觸性、高靈活性、高效性以及局部修復等優(yōu)點,近年來已經在金屬、陶瓷等材料的表面處理和裂紋控制上得到了廣泛的應用。本文通過理論仿真結合實驗的方法,研究連續(xù)CO_2激光器對熔石英元件表面進行拋光的工藝。分析了激光功率、激光束半徑、激光掃描速度以及熔石英元件的初始表面粗糙度等參數對激光拋光效果的影響。主要研究內容包括以下幾點:(1)激光拋光過程中溫度場的研究。利用有限元軟件COMSOL對激光與熔石英材料相互作用時的溫度場進行了定點類型和掃描類型的仿真,得到了不同工藝參數,如激光功率、激光束半徑、掃描速度、掃描間距、相互作用時間等作用下的溫度場分布�？偨Y出各個參數變化對溫度場分布的影響規(guī)律,激光作用點處最高溫度與激光功率、相互作用時間成正比關系,與激光束半徑掃描速度成反比關系。(2)激光拋光過程中表面微流動現象的研究。利用COMSOL建立了傳熱與流體力學耦合的多物理場模型,模擬了激光照射于熔石英表面時材料相變,產生流動行為的過程。發(fā)現表面張力是激光拋光的關鍵因素,它避免了馬拉高尼效應作用下熔池邊界的物質堆積,而馬拉高尼效應則有效的消除了熔池中間部分的凸起。此外,通過設定不同的模型參數(激光功率、表面輪廓形狀、表面輪廓振幅、表面輪廓頻率、激光能量分布形式(Gaussian型、Flat-top型))分析得到了各參數變化對拋光表面粗糙度的影響規(guī)律。(3)使用連續(xù)CO_2激光器進行了熔石英表面激光拋光的實驗研究。針對激光功率、激光掃描速度對拋光效果的影響,進行了單因素實驗。實驗研究獲得了激光斑為短軸2mm長軸3mm的橢圓時的最佳參數組合。在激光功率為28W,掃描速度為0.1mm/s的參數組合下,成功地將150nm粗糙度的金剛石砂輪磨削初始表面拋光到了1.5nm粗糙度。
【圖文】：

1 緒論波長與粗糙度的關系。他們發(fā)現較長的相互作用時間可以得到最佳的拋光效可以使得熔石英表面粗糙度降低至常規(guī)拋光樣品以下。但是，較高的冷卻速力導致了表面形成波紋，針對該問題他們提出了對熔石英進行預熱來降低表望。2011 年，德國學者 J.Hildebrand 等人結合仿真與實驗詳細地分析了 CO2英玻璃過程中進給速度、激光功率和掃描速度等因素對拋光效果的影響[37]激光拋光的高效性，取得了初始粗糙度從 RMS=600nm 到 RMS 小于 10nm2014年德國學者Heidrich和他的研究小組報道了激光加工自由光學元件的工 為其示意圖。該工藝鏈通過使用不同參數的激光組合實現了光學元件的成型度的降低，成功制備了具有高精度自由曲面的熔石英光學元件。

圖 1.2 論文研究思路排五章，每章主要內容如下：緒論。本章主要介紹了課題的研究背景和意義，對傳統(tǒng)的熔石了激光拋光工藝的國內外研究現狀以及激光拋光的原理和優(yōu)勢路和主要研究內容。激光拋光熔石英的溫度場仿真。本章建立了激光照射熔石英的類型分別計算了不同激光參數，如激光功率、光斑半徑和工藝距、相互作用時間等變化下的熔石英溫度分布。激光拋光熔石英的物理機制研究。本章建立了激光輻照下熔石型。該模型耦合了固體傳熱、材料相變、流體流動等物理場，、振幅、形狀的波形組合，將激光參數歸納為激光功率密度，工藝參數（激光功率、表面輪廓形狀、表面輪廓振幅、表面輪ssian、Flat-top））下的熔石英表面粗糙度變化規(guī)律。
【學位授予單位】：西安工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN249;TH74

【參考文獻】

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本文編號：2621878