激光加工技術是利用激光高能量的特性，通過光子與材料的相互作用，以實現材料改性、去除等性能要求。自大功率激光器件出現以後，激光加工技術形成了激光切割、激光打孔、激光標記、激光刻槽與表面改性等多種應用工藝，在電子、材料、機械、藝術設計等領域得到廣泛的應用。

目前，透明晶體材料，諸如石英晶體、光學晶體、功能性晶體及相應非晶態物質如石英玻璃、光學玻璃等難加工材料，由於其脆硬性的特點，採用常規機械加工或化學加工工藝對其進行表面處理、切割與打孔等，易產生裂紋破損，加工效率低。而激光加工技術能利用材料對高能激光束的直接吸收進行加工，在加工過程中刀具無磨損、材料無污染，具有高效率、高精度、非接觸加工、熱影響小等特點。

在透明晶體材料加工中，激光波長範圍爲9-11 μm的CO2激光器，由於其波長特性，無法通過光纖進行傳導，光路的傳導只能使用傳統的鏡片組；同時，CO2激光器對透明晶體的穿透性較差，故無法將光束聚焦於晶體內部進行精密加工。因此，CO2激光器運用於晶體材料主要是表面加工，如激光切割、激光鑽孔、激光表面雕刻等工藝。

同時，由於CO2激光器所發射的激光處於紅外波段，處於常見透明材料的吸收窗口波段內，且CO2激光器的光束質量因子較好（M2＜1.2)。在加工過程中，幾乎所有的激光能量均在距表面1-2 μm厚度的吸收層被吸收並迅速轉化爲熱能，故CO2激光器對透明晶體及玻璃等脆硬性材料具有很好的加工效率。

此外，CO2激光器作用於晶體材料時存在較高的熱效應，且產生的熱應力作用於激光入射表面，這是由於晶體材料對紅外波長的激光吸收率較高所致。因而，對於透明晶體與玻璃在使用CO2激光器加工時，其工藝性能要求較高，需合理地制定峯值功率、脈寬等加工參數，有效防止材料在加工過程中因吸收過多熱量導致熱應力碎裂。

在此方案中，我們通過在運動平移臺上加入一個加熱設備，加熱寬帶隙硬脆材料，提高寬帶隙硬脆材料內部的載流子濃度，使其受熱更加均勻，減少了庫倫爆炸的發生，可以有效防止材料在加工過程中因吸收過多熱量導致熱應力裂紋與碎裂的情況出現。

在加工光路中，利用擴束鏡和DOE光束整形對激光進行擴束和整形，不僅可以將高斯光束整形成平頂光束，均勻能量，而且還可以增大單次加工面積，提高加工效率。同時，在光路中加入成像系統，可以實時觀測樣品加工效果，及時獲得加工反饋並調整加工參數。在此設計光路中，我們可以解決熱應力碎裂和加工效率低等問題，推動CO2激光拋光透明晶體與玻璃表面工藝在工業領域的應用。

光路實驗系統

在CO2激光器對玻璃的加工過程中，由於CO2激光器發射的激光處於紅外波段，對透明晶體及玻璃的穿透能力差，幾乎所有的激光能量均在距表面1-2 μm厚度的吸收層被吸收並迅速轉化爲熱能，故CO2激光器對透明晶體及玻璃等脆硬性材料的表面加工具有很好的加工效果與效率，並且也是研究相對較爲深入的一種加工技術。

其過程可以簡單描敘爲當脈衝尖峯到達玻璃材料表面時，材料本身吸收激光能量後溫度急劇上升，達到熔點或者沸點，在熔點附近，激光作用區域的玻璃材料產生融化位移和融化濺射，達到沸點後，表面材料氣化蒸發，大量的物質被分解爲碳和氧並被蒸汽帶走。此時，玻璃表面逐漸形成微納結構，並且熱量向玻璃的內部以及四周擴散，使得熱影響區域增大導致微納結構的直徑和深度增加。

隨着功率降低，溫度的降低，玻璃氣化減弱，隨之融熔區域也不再擴大，最後微納結構形成。應該指出的是，激光加熱的過程中，熱影響區域與其他區域之間由於存在溫度差行成了溫度梯度，玻璃本身作爲一種硬脆材料，其熱膨脹係數很高，這樣由於溫度的不同，加熱區域與非加熱區域產生熱應力不同，材料在壓力的作用下很容易出現裂紋與碎片。

圖1. CO2激光對玻璃表面進行拋光的光路示意圖

實驗所用激光器爲相干公司生產的Cx-10L 10.6連續CO2激光器，典型的輸出功率≥135 W，功率穩定性爲±2%，光束質量M2≤1.2，光斑直徑爲1.8±2 mm，偏振爲現在線偏振，具有較好的功率穩定性和光束質量。

激光器無法設定其激光功率，所以通過在光路中加入連續衰減片、半波片與格蘭泰勒棱鏡來實現CO2激光器功率的連續調節。由硒化鋅材料製備的光學元件，經過設計與組合，使入射光束與格蘭泰勒棱鏡形成布魯斯特角。在半波片與格蘭泰勒棱鏡上，所有P偏振分量都會透射過去，而大部分S偏振分量則會被反射。其結果是，當光束通過半波片與格蘭泰勒棱鏡後，就只剩下P偏振光了。出射光的偏振方向受半波片與格蘭泰勒棱鏡調製，相對於入射光偏轉了θ角，出射光功率爲入射光的COS 2(θ)倍。

爲了提高加工效率，CO2激光在玻璃材料表面加工微納結構的光路中加入了擴束系統，將2 mm左右的光斑擴束至10 mm左右，增大了單次的加工面積，提高了加工效率。在加工光路中還加入了自帶聚焦鏡的光束整形器， 聚焦型光束整形器是典型的衍射光學元件之一（DOE），用於將近高斯入射的激光光斑整形轉換爲圓形、矩形、正方形、直線或其他形狀的均勻光斑，使光斑的能量分佈得到均勻的處理，也可稱爲平頂光、平頂帽式光斑，這個特性用於激光加工可以防止特定區域過度曝光或曝光不足。

此外，形成的平頂光斑創造了一個尖銳的過渡區，清晰的區分了處理和未處理區域之間的邊界。具有非常好的均勻性、光斑邊緣銳利與高損傷閾值等特性的光束整形器，可適用於大功率激光器、任意光束形狀的調製以及覆蓋紫外到紅外的所有激光波段。推動了CO2激光器在激光打孔、激光切割、激光燒蝕與激光微納結構加工等方面的應用。

圖2. CO2激光對玻璃表面進行拋光的光束整形系統示意圖

圖3.左圖是CO2激光擴束效果示意圖；右圖是DOE對CO2激光的整形效果示意圖

在本次的實驗系統設計中，由於在CO2激光器中沒有內置聲光調製晶體，因此在加工光路中加入了專爲工業應用領域的CO2激光器的強度控制/調製而設計的單通道紅外聲光調製器。該聲光調製器的工作介質是單晶鍺，通光孔徑爲9.6 mm，工作波長爲10.6 μm，可承受最大光學功率密度爲15 W/mm2，其衍射效率可高達90%以上，還配套驅動電源。該調製器冷卻水道全部採用不鏽鋼鍍鏌,保證其耐腐蝕性能超強，在保持最佳的性能的同時功率承受能力在100 W以上。結合優化級鍺單晶高質量光學加工和抗反射塗層，使其具有高效的光傳輸和衍射效率，可實現對隨折射率快速變化的溫升快速有效的冷卻。

聲波是一種彈性波，當它在介質中傳播時，會使介質產生相應的彈性形變，從而使介質中各質點隨聲波傳播方向振動而振動，引起介質中各部分疏密程度不一致，則介質的折射率也會因疏密程度的不同，發生相應的改變。

超聲場的作用如同一個光學“相位光柵”，其光柵常數即爲聲波波長。光波通過介質時會產生衍射現象，衍射光的各種性質都取決於超聲場的性質。將聲光晶體放置入腔內，當有超聲場作用時，入射光產生衍射，衍射光溢出腔外，光強減弱，無法形成振盪。相當於將激光器的振盪閾值提高，抑制了激光振盪，但使上能級的反轉粒子數儘可能的積累，此時諧振腔處於高損耗低Q值的狀態。

而反轉粒子數達到很大時（其上能級積累時間一般等於激光工作物質的上能級壽命，從而使上能級反轉數粒子數能得到充分的積累），當超聲場中止對聲光晶體的作用，將沒有衍射現象的產生。聲光晶體僅起到透射激光的作用，這時激光器的損耗很小，振盪閾值減小到很低，此時諧振腔處於低損耗高Q值得狀態。相當於Q開關“打開”“關斷”了一次。這時輸出一個峯值功率很高，脈寬很窄的調Q脈衝。

在實驗系統中使用的聲光調製器可實現高重複頻率調製（高達10 MHz），且可在低電壓（幾十伏左右）下，實現脈衝調製，較爲安全；但其缺點也較爲明顯，調製時間長，需配備專業冷水機，且價格較爲高昂。

圖4. 左圖是光路系統中脈衝調製部分；右圖是衍射光隨調製信號的變化示意圖

針對當前CO2激光拋光透明晶體及玻璃等脆硬性材料時，由於材料內部自由載流子濃度較低，導致激光與透明晶體及玻璃等脆硬性材料相互作用時，熱影響區域與其他區域之間存在溫度梯度，產生不同的熱應力，使透明晶體及玻璃等脆硬性材料在壓力的作用下出現裂紋與碎片。

本實驗系統中提出CO2激光拋光透明晶體及玻璃等脆硬性材料時，利用加熱設備加熱該脆硬性材料提高其內部的載流子濃度與活性，通過調控晶體表面載流子濃度和晶格馳豫過程，抑制庫倫爆炸，使其幾乎所有的激光能量均在距表面1-2 μm厚度的吸收層被吸收並迅速轉化爲熱能。可明顯降低高重複頻率的脈衝CO2激光拋光透明晶體及玻璃等脆硬性材料時殘留熱應力對材料表面產生損傷，出現裂紋與碎片的情況，具有很好的加工效率。

圖5 a. CO2激光拋光玻璃的振鏡掃描系統；b. 振鏡工作原理示意圖；c. 拋光樣品加熱示意圖

圖6. CO2激光對玻璃表面進行拋光的掃描系統與溫控&運動控制系統示意圖

高重複頻率的脈衝CO2激光拋光透明晶體及玻璃等脆硬性材料實驗系統中成像系統部分如圖6中虛線框中所示，主要包括光學組合鏡、聚焦物鏡、照明系統與CCD成像元件等，該系統設計工藝先進，組合了平場復消色差、無限校正物鏡，可以極大限度的減小像差、並可以提供更長的工作距離和較高的分辨率。

成像系統通過聚焦物鏡將CO2激光光束進行會聚，經過會聚後的激光光束在物鏡焦點處會聚直徑爲百微米量級的光斑，相應的激光的能量密度將會變的很大，因此會聚光斑的尺寸對加工效果有重要的影響：

1）會聚光斑的尺寸直接影響燒蝕點的大小，而燒蝕點的大小將決定其加工效率；

2）當激光能量一定的時候，會聚光斑的尺寸直接影響激光脈衝的能量密度，能量密度對透明晶體及玻璃等脆硬性材料的拋光效果有着重要影響。

高重複頻率的脈衝CO2激光拋光透明晶體及玻璃等脆硬性材料實驗系統的加工過程觀測採用CCD實時成像。可以通過CCD觀測系統實時監測樣品的拋光過程與拋光效果，以便實時調整加工參數，改善拋光效果。

圖7. CO2激光拋光玻璃表面光路中成像部分光路示意圖

CO2激光拋光玻璃表面實驗系統的建設目標

第一階段：探索CO2激光與玻璃相互作用機理

1、建立起符合實際加工情況的熱傳導方程以及相應的初始條件和邊界條件，模擬出不同加工參數上玻璃表面上的溫度分佈；

2、理論上計算分析，CO2激光拋光玻璃等硬脆材料過程中，聚焦光斑對硬脆材料的熱分佈，黏性的變化和應力的產生等情況的影響，建立一個簡單的表面應力的模型；

3、利用雙溫德魯德模型數值分析CO2激光與玻璃等硬脆材料相互作用過程中載流子和晶格的溫度、以及載流子濃度隨時間及二維空間變化等瞬態過程，理論上揭示CO2激光輻照期間材料的光學性能變化以及對實驗結果的預測與分析。

CO2激光與玻璃等硬脆材料相互作用，尤其與晶態物質的相互作用是一種非常複雜的過程，其涉及物理、化學、光學及材料本身的特性，其損傷機理包含光壓導致的表面破壞、多光子吸收電離、材料缺陷吸收、非線性自聚焦吸收破壞與雪崩電離破壞等。

針對激光的不同波長與脈衝能量強度，以上各損傷機理所佔比重各不相同。隨着激光波長的減小，其光子能量呈上升趨勢。當激光波長較長時，激光對玻璃等硬脆材料的主要損傷形式爲材料缺陷吸收所導致的熱破壞，但其中仍然有許多過程是不清楚的。這是都是值得研究的地方，並且也只有把這些地方弄清楚後才能更好的推動CO2激光拋光玻璃等硬脆材料在工業中的應用。

第二階段：搭建CO2激光拋光晶體與玻璃等硬脆材料的實驗系統

1、高重複頻率的脈衝CO2激光對透明晶體與玻璃等硬脆材料進行拋光的研究。具體研究方法是：讓連續CO2激光器處於脈衝工作的方式，通過改變激光的平均功率、掃描速度、掃描間距、脈衝數和脈衝寬度等，研究透明晶體與玻璃等硬脆材料的表面粗糙度與加工參數的關係。

2、詳細研究脈衝寬度和輻射能量在材料去除機制，消融閾值和加工速率起到的關鍵作用和通過分析激光輻照形成的表面形貌特點說明在不同的能量密度和脈衝寬度的條件下，表面拋光是通過什麼方式來實現的，並通過實驗探索出玻璃消融閾值能量和融化濺射閾值能量關於各參數的曲線圖。

系統研究激光能流、樣品襯底溫度、掃描速度以及脈衝數與脈衝寬度等對透明晶體與玻璃等硬脆材料表面拋光粗糙度與熱應力裂紋破損的影響，爲製備高質量、大面積器件級玻璃等硬脆材料與光學元件提供理論指導和實驗參數。

第三階段：基於CO2激光拋光晶體與玻璃等硬脆材料的實驗系統平臺的應用方向探索

1、基於迴歸分析的模型探索CO2激光器對玻璃類相應非晶態物質的切割加工工藝參數進行研究，同時對其激光器功率、切割速度、切割厚度與切縫寬度等參數的相互關係進行分析。

2、探索利用聲光晶體調製和DOE光學元件對穩定的CO2激光進行調製和整形，產生脈寬在50 μs左右的平頂激光。讓多脈衝的平頂激光作用至表面已拋光的玻璃上，在玻璃表面形成周期性的微米級圓形微透鏡陣列。隨後再次使用長脈衝的CO2激光對其表面拋光，可以獲得高光束質量的微光學元件。

3、探索調整CO2激光的脈寬和佔空比對玻璃進行表面微結構加工，利用光學顯微鏡和輪廓質譜儀觀察表面微結構形貌和親疏水特性，並探索該種微結構在工業領域的應用。

☆ END ☆

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