激光加工技术是利用激光高能量的特性，通过光子与材料的相互作用，以实现材料改性、去除等性能要求。自大功率激光器件出现以后，激光加工技术形成了激光切割、激光打孔、激光标记、激光刻槽与表面改性等多种应用工艺，在电子、材料、机械、艺术设计等领域得到广泛的应用。

目前，透明晶体材料，诸如石英晶体、光学晶体、功能性晶体及相应非晶态物质如石英玻璃、光学玻璃等难加工材料，由于其脆硬性的特点，采用常规机械加工或化学加工工艺对其进行表面处理、切割与打孔等，易产生裂纹破损，加工效率低。而激光加工技术能利用材料对高能激光束的直接吸收进行加工，在加工过程中刀具无磨损、材料无污染，具有高效率、高精度、非接触加工、热影响小等特点。

在透明晶体材料加工中，激光波长范围为9-11 μm的CO2激光器，由于其波长特性，无法通过光纤进行传导，光路的传导只能使用传统的镜片组；同时，CO2激光器对透明晶体的穿透性较差，故无法将光束聚焦于晶体内部进行精密加工。因此，CO2激光器运用于晶体材料主要是表面加工，如激光切割、激光钻孔、激光表面雕刻等工艺。

同时，由于CO2激光器所发射的激光处于红外波段，处于常见透明材料的吸收窗口波段内，且CO2激光器的光束质量因子较好（M2＜1.2)。在加工过程中，几乎所有的激光能量均在距表面1-2 μm厚度的吸收层被吸收并迅速转化为热能，故CO2激光器对透明晶体及玻璃等脆硬性材料具有很好的加工效率。

此外，CO2激光器作用于晶体材料时存在较高的热效应，且产生的热应力作用于激光入射表面，这是由于晶体材料对红外波长的激光吸收率较高所致。因而，对于透明晶体与玻璃在使用CO2激光器加工时，其工艺性能要求较高，需合理地制定峰值功率、脉宽等加工参数，有效防止材料在加工过程中因吸收过多热量导致热应力碎裂。

在此方案中，我们通过在运动平移台上加入一个加热设备，加热宽带隙硬脆材料，提高宽带隙硬脆材料内部的载流子浓度，使其受热更加均匀，减少了库伦爆炸的发生，可以有效防止材料在加工过程中因吸收过多热量导致热应力裂纹与碎裂的情况出现。

在加工光路中，利用扩束镜和DOE光束整形对激光进行扩束和整形，不仅可以将高斯光束整形成平顶光束，均匀能量，而且还可以增大单次加工面积，提高加工效率。同时，在光路中加入成像系统，可以实时观测样品加工效果，及时获得加工反馈并调整加工参数。在此设计光路中，我们可以解决热应力碎裂和加工效率低等问题，推动CO2激光抛光透明晶体与玻璃表面工艺在工业领域的应用。

光路实验系统

在CO2激光器对玻璃的加工过程中，由于CO2激光器发射的激光处于红外波段，对透明晶体及玻璃的穿透能力差，几乎所有的激光能量均在距表面1-2 μm厚度的吸收层被吸收并迅速转化为热能，故CO2激光器对透明晶体及玻璃等脆硬性材料的表面加工具有很好的加工效果与效率，并且也是研究相对较为深入的一种加工技术。

其过程可以简单描叙为当脉冲尖峰到达玻璃材料表面时，材料本身吸收激光能量后温度急剧上升，达到熔点或者沸点，在熔点附近，激光作用区域的玻璃材料产生融化位移和融化溅射，达到沸点后，表面材料气化蒸发，大量的物质被分解为碳和氧并被蒸汽带走。此时，玻璃表面逐渐形成微纳结构，并且热量向玻璃的内部以及四周扩散，使得热影响区域增大导致微纳结构的直径和深度增加。

随着功率降低，温度的降低，玻璃气化减弱，随之融熔区域也不再扩大，最后微纳结构形成。应该指出的是，激光加热的过程中，热影响区域与其他区域之间由于存在温度差行成了温度梯度，玻璃本身作为一种硬脆材料，其热膨胀系数很高，这样由于温度的不同，加热区域与非加热区域产生热应力不同，材料在压力的作用下很容易出现裂纹与碎片。

图1. CO2激光对玻璃表面进行抛光的光路示意图

实验所用激光器为相干公司生产的Cx-10L 10.6连续CO2激光器，典型的输出功率≥135 W，功率稳定性为±2%，光束质量M2≤1.2，光斑直径为1.8±2 mm，偏振为现在线偏振，具有较好的功率稳定性和光束质量。

激光器无法设定其激光功率，所以通过在光路中加入连续衰减片、半波片与格兰泰勒棱镜来实现CO2激光器功率的连续调节。由硒化锌材料制备的光学元件，经过设计与组合，使入射光束与格兰泰勒棱镜形成布鲁斯特角。在半波片与格兰泰勒棱镜上，所有P偏振分量都会透射过去，而大部分S偏振分量则会被反射。其结果是，当光束通过半波片与格兰泰勒棱镜后，就只剩下P偏振光了。出射光的偏振方向受半波片与格兰泰勒棱镜调制，相对于入射光偏转了θ角，出射光功率为入射光的COS 2(θ)倍。

为了提高加工效率，CO2激光在玻璃材料表面加工微纳结构的光路中加入了扩束系统，将2 mm左右的光斑扩束至10 mm左右，增大了单次的加工面积，提高了加工效率。在加工光路中还加入了自带聚焦镜的光束整形器， 聚焦型光束整形器是典型的衍射光学元件之一（DOE），用于将近高斯入射的激光光斑整形转换为圆形、矩形、正方形、直线或其他形状的均匀光斑，使光斑的能量分布得到均匀的处理，也可称为平顶光、平顶帽式光斑，这个特性用于激光加工可以防止特定区域过度曝光或曝光不足。

此外，形成的平顶光斑创造了一个尖锐的过渡区，清晰的区分了处理和未处理区域之间的边界。具有非常好的均匀性、光斑边缘锐利与高损伤阈值等特性的光束整形器，可适用于大功率激光器、任意光束形状的调制以及覆盖紫外到红外的所有激光波段。推动了CO2激光器在激光打孔、激光切割、激光烧蚀与激光微纳结构加工等方面的应用。

图2. CO2激光对玻璃表面进行抛光的光束整形系统示意图

图3.左图是CO2激光扩束效果示意图；右图是DOE对CO2激光的整形效果示意图

在本次的实验系统设计中，由于在CO2激光器中没有内置声光调制晶体，因此在加工光路中加入了专为工业应用领域的CO2激光器的强度控制/调制而设计的单通道红外声光调制器。该声光调制器的工作介质是单晶锗，通光孔径为9.6 mm，工作波长为10.6 μm，可承受最大光学功率密度为15 W/mm2，其衍射效率可高达90%以上，还配套驱动电源。该调制器冷却水道全部采用不锈钢镀镆,保证其耐腐蚀性能超强，在保持最佳的性能的同时功率承受能力在100 W以上。结合优化级锗单晶高质量光学加工和抗反射涂层，使其具有高效的光传输和衍射效率，可实现对随折射率快速变化的温升快速有效的冷却。

声波是一种弹性波，当它在介质中传播时，会使介质产生相应的弹性形变，从而使介质中各质点随声波传播方向振动而振动，引起介质中各部分疏密程度不一致，则介质的折射率也会因疏密程度的不同，发生相应的改变。

超声场的作用如同一个光学“相位光栅”，其光栅常数即为声波波长。光波通过介质时会产生衍射现象，衍射光的各种性质都取决于超声场的性质。将声光晶体放置入腔内，当有超声场作用时，入射光产生衍射，衍射光溢出腔外，光强减弱，无法形成振荡。相当于将激光器的振荡阈值提高，抑制了激光振荡，但使上能级的反转粒子数尽可能的积累，此时谐振腔处于高损耗低Q值的状态。

而反转粒子数达到很大时（其上能级积累时间一般等于激光工作物质的上能级寿命，从而使上能级反转数粒子数能得到充分的积累），当超声场中止对声光晶体的作用，将没有衍射现象的产生。声光晶体仅起到透射激光的作用，这时激光器的损耗很小，振荡阈值减小到很低，此时谐振腔处于低损耗高Q值得状态。相当于Q开关“打开”“关断”了一次。这时输出一个峰值功率很高，脉宽很窄的调Q脉冲。

在实验系统中使用的声光调制器可实现高重复频率调制（高达10 MHz），且可在低电压（几十伏左右）下，实现脉冲调制，较为安全；但其缺点也较为明显，调制时间长，需配备专业冷水机，且价格较为高昂。

图4. 左图是光路系统中脉冲调制部分；右图是衍射光随调制信号的变化示意图

针对当前CO2激光抛光透明晶体及玻璃等脆硬性材料时，由于材料内部自由载流子浓度较低，导致激光与透明晶体及玻璃等脆硬性材料相互作用时，热影响区域与其他区域之间存在温度梯度，产生不同的热应力，使透明晶体及玻璃等脆硬性材料在压力的作用下出现裂纹与碎片。

本实验系统中提出CO2激光抛光透明晶体及玻璃等脆硬性材料时，利用加热设备加热该脆硬性材料提高其内部的载流子浓度与活性，通过调控晶体表面载流子浓度和晶格驰豫过程，抑制库伦爆炸，使其几乎所有的激光能量均在距表面1-2 μm厚度的吸收层被吸收并迅速转化为热能。可明显降低高重复频率的脉冲CO2激光抛光透明晶体及玻璃等脆硬性材料时残留热应力对材料表面产生损伤，出现裂纹与碎片的情况，具有很好的加工效率。

图5 a. CO2激光抛光玻璃的振镜扫描系统；b. 振镜工作原理示意图；c. 抛光样品加热示意图

图6. CO2激光对玻璃表面进行抛光的扫描系统与温控&运动控制系统示意图

高重复频率的脉冲CO2激光抛光透明晶体及玻璃等脆硬性材料实验系统中成像系统部分如图6中虚线框中所示，主要包括光学组合镜、聚焦物镜、照明系统与CCD成像元件等，该系统设计工艺先进，组合了平场复消色差、无限校正物镜，可以极大限度的减小像差、并可以提供更长的工作距离和较高的分辨率。

成像系统通过聚焦物镜将CO2激光光束进行会聚，经过会聚后的激光光束在物镜焦点处会聚直径为百微米量级的光斑，相应的激光的能量密度将会变的很大，因此会聚光斑的尺寸对加工效果有重要的影响：

1）会聚光斑的尺寸直接影响烧蚀点的大小，而烧蚀点的大小将决定其加工效率；

2）当激光能量一定的时候，会聚光斑的尺寸直接影响激光脉冲的能量密度，能量密度对透明晶体及玻璃等脆硬性材料的抛光效果有着重要影响。

高重复频率的脉冲CO2激光抛光透明晶体及玻璃等脆硬性材料实验系统的加工过程观测采用CCD实时成像。可以通过CCD观测系统实时监测样品的抛光过程与抛光效果，以便实时调整加工参数，改善抛光效果。

图7. CO2激光抛光玻璃表面光路中成像部分光路示意图

CO2激光抛光玻璃表面实验系统的建设目标

第一阶段：探索CO2激光与玻璃相互作用机理

1、建立起符合实际加工情况的热传导方程以及相应的初始条件和边界条件，模拟出不同加工参数上玻璃表面上的温度分布；

2、理论上计算分析，CO2激光抛光玻璃等硬脆材料过程中，聚焦光斑对硬脆材料的热分布，黏性的变化和应力的产生等情况的影响，建立一个简单的表面应力的模型；

3、利用双温德鲁德模型数值分析CO2激光与玻璃等硬脆材料相互作用过程中载流子和晶格的温度、以及载流子浓度随时间及二维空间变化等瞬态过程，理论上揭示CO2激光辐照期间材料的光学性能变化以及对实验结果的预测与分析。

CO2激光与玻璃等硬脆材料相互作用，尤其与晶态物质的相互作用是一种非常复杂的过程，其涉及物理、化学、光学及材料本身的特性，其损伤机理包含光压导致的表面破坏、多光子吸收电离、材料缺陷吸收、非线性自聚焦吸收破坏与雪崩电离破坏等。

针对激光的不同波长与脉冲能量强度，以上各损伤机理所占比重各不相同。随着激光波长的减小，其光子能量呈上升趋势。当激光波长较长时，激光对玻璃等硬脆材料的主要损伤形式为材料缺陷吸收所导致的热破坏，但其中仍然有许多过程是不清楚的。这是都是值得研究的地方，并且也只有把这些地方弄清楚后才能更好的推动CO2激光抛光玻璃等硬脆材料在工业中的应用。

第二阶段：搭建CO2激光抛光晶体与玻璃等硬脆材料的实验系统

1、高重复频率的脉冲CO2激光对透明晶体与玻璃等硬脆材料进行抛光的研究。具体研究方法是：让连续CO2激光器处于脉冲工作的方式，通过改变激光的平均功率、扫描速度、扫描间距、脉冲数和脉冲宽度等，研究透明晶体与玻璃等硬脆材料的表面粗糙度与加工参数的关系。

2、详细研究脉冲宽度和辐射能量在材料去除机制，消融阈值和加工速率起到的关键作用和通过分析激光辐照形成的表面形貌特点说明在不同的能量密度和脉冲宽度的条件下，表面抛光是通过什么方式来实现的，并通过实验探索出玻璃消融阈值能量和融化溅射阈值能量关于各参数的曲线图。

系统研究激光能流、样品衬底温度、扫描速度以及脉冲数与脉冲宽度等对透明晶体与玻璃等硬脆材料表面抛光粗糙度与热应力裂纹破损的影响，为制备高质量、大面积器件级玻璃等硬脆材料与光学元件提供理论指导和实验参数。

第三阶段：基于CO2激光抛光晶体与玻璃等硬脆材料的实验系统平台的应用方向探索

1、基于回归分析的模型探索CO2激光器对玻璃类相应非晶态物质的切割加工工艺参数进行研究，同时对其激光器功率、切割速度、切割厚度与切缝宽度等参数的相互关系进行分析。

2、探索利用声光晶体调制和DOE光学元件对稳定的CO2激光进行调制和整形，产生脉宽在50 μs左右的平顶激光。让多脉冲的平顶激光作用至表面已抛光的玻璃上，在玻璃表面形成周期性的微米级圆形微透镜阵列。随后再次使用长脉冲的CO2激光对其表面抛光，可以获得高光束质量的微光学元件。

3、探索调整CO2激光的脉宽和占空比对玻璃进行表面微结构加工，利用光学显微镜和轮廓质谱仪观察表面微结构形貌和亲疏水特性，并探索该种微结构在工业领域的应用。

☆ END ☆

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