Figura 1. Diagramma schematico per il modello numerico 2-D di CO 2 ablazione laser. Attestazione:SIOM
La silice fusa è un materiale significativo per numerose applicazioni in ottica e fotonica grazie alle sue eccellenti prestazioni ottiche. La lavorazione della silice fusa con CO . pulsata 2 l'ablazione laser offre l'opportunità di convertire una struttura a gradini arbitrariamente incisa in una continua. Però, il raggiungimento di superfici ottiche continue con la massima precisione mediante ablazione laser-pulsante richiede un equilibrio di diversi parametri.
Per ottenere rapidamente i parametri ottimali per la lucidatura a regola d'arte, un gruppo di ricerca dell'Istituto di Ottica e Meccanica Fine di Shanghai (SIOM) dell'Accademia Cinese delle Scienze (CAS) ha recentemente sviluppato un modello numerico basato sul metodo degli elementi finiti per la previsione dell'evoluzione morfologica di una struttura a gradini su silice fusa sotto diverse CO 2 condizioni di riscaldamento laser. Le loro scoperte sono state pubblicate su Materials.
Nell'esperimento, la simulazione si è concentrata sull'ablazione laser non esplosiva con intensità laser nel regime di ~0.1-1MW/cm 2 , dove dominava la rimozione di materiale per evaporazione, e lo spostamento e l'espulsione incontrollabili del fuso erano evitabili. Così, la temperatura critica di recessione superficiale era la soglia di vaporizzazione della silice fusa a pressione atmosferica normale.
Secondo la formula di Hertz-Knudsen-Schrage, la velocità di recessione superficiale potrebbe essere calcolata dall'irradiazione laser assorbita, la densità del materiale e la variazione totale di entalpia richiesta per volatilizzare il materiale. Inoltre, la deformazione superficiale completa di una struttura a gradini su silice fusa potrebbe essere calcolata con diversi parametri basati sul metodo degli elementi finiti.
Figura 2. Evoluzione morfologica e profilo della temperatura durante il processo di ablazione. Attestazione:SIOM
Comparativamente, era preferibile acquisire un profilo lucido che fosse più vicino a quello atteso con minori perdite di materiale. Utilizzando il modello numerico, i ricercatori hanno ottenuto i parametri ottimali per lucidare la struttura a gradini sulla silice fusa dopo un confronto delle morfologie superficiali previste in diverse condizioni di calore.
Adottando i parametri ottimizzati acquisiti dal modello numerico, una tipica struttura a gradini a forma di cono con un diametro di 2 mm e un angolo di inclinazione di 10,4° è stata elaborata tramite CO 2 ablazione laser pulsata sperimentalmente. La morfologia della struttura elaborata è stata osservata e caratterizzata, e le misurazioni erano in buon accordo con i valori previsti.
Questi risultati indicano che il modello numerico può simulare la modifica morfologica della CO 2 ablazione laser con un alto grado di affidabilità. Potrebbe inoltre essere utilizzato per ottimizzare i parametri di lavorazione per la personalizzazione di superfici continue in silice fusa, che potrebbe facilitare la produzione industriale di ottiche a forma libera.
