【摘要】：熔石英是光電子、微電子、光學(xué)以及光纖技術(shù)等行業(yè)的重要光學(xué)元件。在先進(jìn)的功能性光電器件,如激光陀螺儀、軟X射線(xiàn)儀、自由電子激光器以及激光聚變系統(tǒng)中,都對(duì)具有超光滑光學(xué)表面的熔石英元件有著迫切的需求。熔石英光學(xué)元件的制備流程包括研磨,拋光,以及其他的光學(xué)處理過(guò)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(shù)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(fù)等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)已經(jīng)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(yīng)用。本文通過(guò)理論仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法,研究連續(xù)CO_2激光器對(duì)熔石英元件表面進(jìn)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(shù)對(duì)激光拋光效果的影響。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾點(diǎn):(1)激光拋光過(guò)程中溫度場(chǎng)的研究。利用有限元軟件COMSOL對(duì)激光與熔石英材料相互作用時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了定點(diǎn)類(lèi)型和掃描類(lèi)型的仿真,得到了不同工藝參數(shù),如激光功率、激光束半徑、掃描速度、掃描間距、相互作用時(shí)間等作用下的溫度場(chǎng)分布�？偨Y(jié)出各個(gè)參數(shù)變化對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響規(guī)律,激光作用點(diǎn)處最高溫度與激光功率、相互作用時(shí)間成正比關(guān)系,與激光束半徑掃描速度成反比關(guān)系。(2)激光拋光過(guò)程中表面微流動(dòng)現(xiàn)象的研究。利用COMSOL建立了傳熱與流體力學(xué)耦合的多物理場(chǎng)模型,模擬了激光照射于熔石英表面時(shí)材料相變,產(chǎn)生流動(dòng)行為的過(guò)程。發(fā)現(xiàn)表面張力是激光拋光的關(guān)鍵因素,它避免了馬拉高尼效應(yīng)作用下熔池邊界的物質(zhì)堆積,而馬拉高尼效應(yīng)則有效的消除了熔池中間部分的凸起。此外,通過(guò)設(shè)定不同的模型參數(shù)(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(shù)變化對(duì)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(jìn)行了熔石英表面激光拋光的實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)激光功率、激光掃描速度對(duì)拋光效果的影響,進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究獲得了激光斑為短軸2mm長(zhǎng)軸3mm的橢圓時(shí)的最佳參數(shù)組合。在激光功率為28W,掃描速度為0.1mm/s的參數(shù)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(zhǎng)與粗糙度的關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)較長(zhǎng)的相互作用時(shí)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(dǎo)致了表面形成波紋，針對(duì)該問(wèn)題他們提出了對(duì)熔石英進(jìn)行預(yù)熱來(lái)降低表望。2011 年，德國(guó)學(xué)者 J.Hildebrand 等人結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)詳細(xì)地分析了 CO2英玻璃過(guò)程中進(jìn)給速度、激光功率和掃描速度等因素對(duì)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(guó)學(xué)者Heidrich和他的研究小組報(bào)道了激光加工自由光學(xué)元件的工 為其示意圖。該工藝鏈通過(guò)使用不同參數(shù)的激光組合實(shí)現(xiàn)了光學(xué)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(xué)元件。

圖 1.2 論文研究思路排五章，每章主要內(nèi)容如下：緒論。本章主要介紹了課題的研究背景和意義，對(duì)傳統(tǒng)的熔石了激光拋光工藝的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及激光拋光的原理和優(yōu)勢(shì)路和主要研究?jī)?nèi)容。激光拋光熔石英的溫度場(chǎng)仿真。本章建立了激光照射熔石英的類(lèi)型分別計(jì)算了不同激光參數(shù)，如激光功率、光斑半徑和工藝距、相互作用時(shí)間等變化下的熔石英溫度分布。激光拋光熔石英的物理機(jī)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(dòng)等物理場(chǎng)，、振幅、形狀的波形組合，將激光參數(shù)歸納為激光功率密度，工藝參數(shù)（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(xué)位授予單位】：西安工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN249;TH74

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2621878