毫秒脈沖激光輻照光學鏡片的熱力效應

王希源，韓雅菲

（沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159）

0 引言

K9 光學鏡片是堅硬的脆性材料，對其進行切割、打孔等加工時容易產生裂紋甚至碎裂。對K9 光學鏡片進行加工的方法傳統主要有機械研磨和拋光、磨料噴射加工、超聲落料、化學腐蝕、火焰加工等，超聲落料法是用來加工K9 光學鏡片小孔較為普遍的方法，但受到磨輪大小的限制，通常用來加工直徑在2 mm以上的小孔[1]。毫秒脈沖激光加工技術具有非接觸、精度高、效率高等優點，逐漸被用于切割、打孔領域。因此，研究毫秒脈沖激光對K9 光學鏡片進行切割和打孔技術具有重要的意義。

上述應用的物理基礎基于激光與材料相互作用物理學。激光與材料相互作用產生的物理效應主要集中在熱效應、力效應兩個方面。國內外研究人員對激光致光學元件熱、力損傷方面開展了大量的研究。1998 年，Guignard F 等[2]利用CO2激光輻照硼硅酸鹽BK7 玻璃，得出輻照樣品內部熱應力分布。2001 年，羅福等[3]基于一維應力松弛模型和粘彈性本構關系，對1.06 μm 連續激光照射下K9 玻璃板中的溫升和應力進行計算。2013 年，王斌[4]利用脈寬為ns、ms 的激光輻照光學薄膜元件，得到ns 與ms 激光損傷以熱效應為主導。2020 年，Wang H 等[5]利用皮秒脈沖激光輻照熔融石英，分析了其由熱積累效應引起的制造缺陷。

毫秒脈沖激光的脈沖作用時間較長，使得鏡片中的部分自由電子在作用周期內吸收的能量較少，無法導致雪崩電離，外場的能量將電子被吸收并傳遞給晶格，導致毫秒脈沖激光對鏡片的主要損傷為熱熔融損傷和熱應力損傷。因此，采用不同頻率毫秒激光輻照K9 光學鏡片進行實驗，對毫秒激光輻照K9 光學鏡片的熱、力效應進行分析研究。

1 實驗

實驗采用北京鐳源科技有限公司生產的SDP31-II 的激光器提供激光光源，該激光器可提供毫秒脈沖激光，輸出激光的焦距為50 cm，最大輸出功率可達30 W；采用FLIR 公司生產的SC7700BB 型中波紅外熱像儀，紅外熱像儀測量溫度時的掃描頻率為100 Hz，所測量的溫度為5～ 2500 ℃；采用LK2101D 動靜態電阻應變儀測量徑向、環向應變，所測量的應變范圍為±38000 με。通過不同頻率（900 Hz、500 Hz、100 Hz）、波長為1064 nm、脈寬為1 ms、功率為3 W額毫秒脈沖激光輻照K9 光學鏡片，利用紅外熱像儀采集毫秒激光輻照光學鏡片的表面溫度演化過程，利用應變儀記錄毫秒脈沖激光輻照下光學鏡片表面的實時應變。毫秒脈沖激光垂直入射光學鏡片幾何中心點，激光探頭距光學鏡片50 cm，使激光焦點作用在光學鏡片上，熱像儀鏡頭鏡面法線與激光輸出光路方向分別呈40°夾角，距K9 基光學鏡片84 cm，應變片所貼位置如下圖所示。實驗系統如圖1 所示。

圖1 實驗系統

2 結果與分析

2.1 毫秒脈沖激光輻照光學鏡片的中心溫度演化

激光輻照光學鏡片產生的熱損傷機制主要是鏡片吸收激光能量，生成溫度場，該溫度場隨著激光輻照鏡片時間變化而變化，從而對鏡片造成損傷。激光作用于鏡片表面時，鏡片會吸收一部分激光能量，反射一部分激光能量，并將其余激光能量透射。由圖2可見，隨著激光頻率的增大，占空比增大，進而導致鏡片吸收能量產生的溫升增大，對K9 光學鏡片損傷也越大。用Origin 對不同頻率毫秒激光輻照區域最高溫度曲線進行擬合，得到最高溫度與激光頻率的2 階多項式擬合函數:

圖2 激光輻照中心區域的溫度時程曲線

2 階多項式擬合函數圖像如圖3 中虛線所示。

圖3 不同頻率光學鏡片最高溫度曲線及擬合函數曲線

2.2 毫秒脈沖激光輻照光學鏡片的應力演化

激光輻照光學鏡片時，鏡片的溫度以激光焦斑為中心產生變化，以熱傳導的方式在鏡片內部擴散，形成非均勻的溫度場，在鏡片內部，微小單元會被周圍其他單元約束無法自由的膨縮，該約束會造成一定的應力[6]。由圖4 可見，隨著激光頻率的增大，占空比增大，鏡片溫度升高，溫度梯度增大，加劇鏡片內部單元的漲縮，從而使得徑向、環向應力均增大，對K9 光學鏡片損傷也越大。用Origin 對不同頻率毫秒激光輻照區域最高溫度曲線進行擬合，得到徑向應力、環向應力與激光頻率的2 階多項式擬合函數分別為

圖4 K9 光學鏡片的應力時程曲線

2 階多項式擬合函數圖像分別如圖5 虛線所示。

圖5 t=1.5 s 時不同頻率激光輻照光學鏡片的應力及擬合函數曲線

3 結語

通過構建毫秒脈沖激光輻照K9 光學鏡片的熱/力特性測量系統，實現對激光輻照K9 光學鏡片程中溫度、應力演化的測量，結論為：

（1）脈寬不變時，隨著激光頻率的增大，占空比增大，進而導致鏡片吸收能量產生的溫升增大，對K9光學鏡片損傷也越大，得到最高溫度與激光頻率的2階多項式擬合函數y＝ 289.03213+0.02698x+4.19812 × 10-4x2。

（2）脈寬不變時，隨著激光頻率的增大，占空比增大，鏡片溫度升高，溫度梯度增大，加劇鏡片內部單元的漲縮，從而使得徑向、環向應力均增大，對K9 光學鏡片損傷也越大，得到徑向、環向應力與激光頻率的2 階多項式擬合函數分別為y＝0.09583+1.61473 ×10-4x-4.92642 ×10-8x2、y＝0.03909 +1.4254 ×10-4x-6.95966 × 10-8x2。

通過新的方法得到了激光燒蝕光學鏡片過程中表面溫度與應變的演化，為光學鏡片的精密加工如切割、打孔等方面提供支持。