Figura 1. Diagrama esquemático para o modelo numérico 2-D de CO 2 ablação a laser. Crédito:SIOM
A sílica fundida é um material significativo para inúmeras aplicações em óptica e fotônica devido ao seu excelente desempenho óptico. O processamento de sílica fundida com CO pulsado 2 a ablação a laser oferece a oportunidade de converter uma estrutura escalonada arbitrariamente gravada em uma estrutura contínua. Contudo, a obtenção de superfícies ópticas contínuas com a mais alta precisão por ablação por pulso de laser requer um equilíbrio de vários parâmetros.
A fim de obter rapidamente os parâmetros ideais para o polimento de última geração, um grupo de pesquisa do Instituto de Óptica e Mecânica Fina (SIOM) de Xangai da Academia Chinesa de Ciências (CAS) desenvolveu recentemente um modelo numérico baseado no método de elementos finitos para prever a evolução morfológica de uma estrutura escalonada em sílica fundida sob diferentes CO 2 condições de aquecimento do laser. Suas descobertas foram publicadas em Materiais.
No experimento, a simulação focou na ablação a laser não explosiva com intensidade de laser no regime de ~ 0,1-1MW / cm 2 , onde a remoção de material por evaporação dominou, e o deslocamento e a ejeção incontroláveis do fundido eram evitáveis. Assim, a temperatura crítica de recessão da superfície era o limiar de vaporização da sílica fundida à pressão atmosférica normal.
De acordo com a fórmula de Hertz-Knudsen-Schrage, a velocidade de recessão da superfície pode ser calculada a partir da radiação de laser absorvida, a densidade do material e a mudança total de entalpia necessária para volatilizar o material. Além disso, a deformação de superfície abrangente de uma estrutura escalonada em sílica fundida pode ser calculada sob diferentes parâmetros com base no método de elementos finitos.
Figura 2. Evolução morfológica e perfil de temperatura durante o processo de ablação. Crédito:SIOM
Comparativamente, era preferível adquirir um perfil polido mais próximo do esperado e com menor perda de material. Usando o modelo numérico, os pesquisadores obtiveram os parâmetros ótimos para polir a estrutura de degrau em sílica fundida após uma comparação das morfologias de superfície previstas em diferentes condições de calor.
Adotando os parâmetros otimizados adquiridos do modelo numérico, uma estrutura de degrau em forma de cone típica com um diâmetro de 2 mm e um ângulo de inclinação de 10,4 ° foi processada via CO 2 ablação por laser pulsado experimentalmente. A morfologia da estrutura processada foi observada e caracterizada, e as medidas estavam em boa concordância com os valores previstos.
Esses resultados indicam que o modelo numérico pode simular a modificação morfológica do CO. 2 ablação a laser com alto grau de confiabilidade. Ele poderia ainda ser usado para otimizar os parâmetros de processamento para personalizar superfícies de sílica fundida contínua, o que poderia facilitar a fabricação industrial de ópticas de forma livre.
