毫秒脉冲激光辐照光学镜片的热力效应

王希源，韩雅菲

（沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159）

0 引言

K9 光学镜片是坚硬的脆性材料，对其进行切割、打孔等加工时容易产生裂纹甚至碎裂。对K9 光学镜片进行加工的方法传统主要有机械研磨和抛光、磨料喷射加工、超声落料、化学腐蚀、火焰加工等，超声落料法是用来加工K9 光学镜片小孔较为普遍的方法，但受到磨轮大小的限制，通常用来加工直径在2 mm以上的小孔[1]。毫秒脉冲激光加工技术具有非接触、精度高、效率高等优点，逐渐被用于切割、打孔领域。因此，研究毫秒脉冲激光对K9 光学镜片进行切割和打孔技术具有重要的意义。

上述应用的物理基础基于激光与材料相互作用物理学。激光与材料相互作用产生的物理效应主要集中在热效应、力效应两个方面。国内外研究人员对激光致光学元件热、力损伤方面开展了大量的研究。1998 年，Guignard F 等[2]利用CO2激光辐照硼硅酸盐BK7 玻璃，得出辐照样品内部热应力分布。2001 年，罗福等[3]基于一维应力松弛模型和粘弹性本构关系，对1.06 μm 连续激光照射下K9 玻璃板中的温升和应力进行计算。2013 年，王斌[4]利用脉宽为ns、ms 的激光辐照光学薄膜元件，得到ns 与ms 激光损伤以热效应为主导。2020 年，Wang H 等[5]利用皮秒脉冲激光辐照熔融石英，分析了其由热积累效应引起的制造缺陷。

毫秒脉冲激光的脉冲作用时间较长，使得镜片中的部分自由电子在作用周期内吸收的能量较少，无法导致雪崩电离，外场的能量将电子被吸收并传递给晶格，导致毫秒脉冲激光对镜片的主要损伤为热熔融损伤和热应力损伤。因此，采用不同频率毫秒激光辐照K9 光学镜片进行实验，对毫秒激光辐照K9 光学镜片的热、力效应进行分析研究。

1 实验

实验采用北京镭源科技有限公司生产的SDP31-II 的激光器提供激光光源，该激光器可提供毫秒脉冲激光，输出激光的焦距为50 cm，最大输出功率可达30 W；采用FLIR 公司生产的SC7700BB 型中波红外热像仪，红外热像仪测量温度时的扫描频率为100 Hz，所测量的温度为5～ 2500 ℃；采用LK2101D 动静态电阻应变仪测量径向、环向应变，所测量的应变范围为±38000 με。通过不同频率（900 Hz、500 Hz、100 Hz）、波长为1064 nm、脉宽为1 ms、功率为3 W额毫秒脉冲激光辐照K9 光学镜片，利用红外热像仪采集毫秒激光辐照光学镜片的表面温度演化过程，利用应变仪记录毫秒脉冲激光辐照下光学镜片表面的实时应变。毫秒脉冲激光垂直入射光学镜片几何中心点，激光探头距光学镜片50 cm，使激光焦点作用在光学镜片上，热像仪镜头镜面法线与激光输出光路方向分别呈40°夹角，距K9 基光学镜片84 cm，应变片所贴位置如下图所示。实验系统如图1 所示。

图1 实验系统

2 结果与分析

2.1 毫秒脉冲激光辐照光学镜片的中心温度演化

激光辐照光学镜片产生的热损伤机制主要是镜片吸收激光能量，生成温度场，该温度场随着激光辐照镜片时间变化而变化，从而对镜片造成损伤。激光作用于镜片表面时，镜片会吸收一部分激光能量，反射一部分激光能量，并将其余激光能量透射。由图2可见，随着激光频率的增大，占空比增大，进而导致镜片吸收能量产生的温升增大，对K9 光学镜片损伤也越大。用Origin 对不同频率毫秒激光辐照区域最高温度曲线进行拟合，得到最高温度与激光频率的2 阶多项式拟合函数:

图2 激光辐照中心区域的温度时程曲线

2 阶多项式拟合函数图像如图3 中虚线所示。

图3 不同频率光学镜片最高温度曲线及拟合函数曲线

2.2 毫秒脉冲激光辐照光学镜片的应力演化

激光辐照光学镜片时，镜片的温度以激光焦斑为中心产生变化，以热传导的方式在镜片内部扩散，形成非均匀的温度场，在镜片内部，微小单元会被周围其他单元约束无法自由的膨缩，该约束会造成一定的应力[6]。由图4 可见，随着激光频率的增大，占空比增大，镜片温度升高，温度梯度增大，加剧镜片内部单元的涨缩，从而使得径向、环向应力均增大，对K9 光学镜片损伤也越大。用Origin 对不同频率毫秒激光辐照区域最高温度曲线进行拟合，得到径向应力、环向应力与激光频率的2 阶多项式拟合函数分别为

图4 K9 光学镜片的应力时程曲线

2 阶多项式拟合函数图像分别如图5 虚线所示。

图5 t=1.5 s 时不同频率激光辐照光学镜片的应力及拟合函数曲线

3 结语

通过构建毫秒脉冲激光辐照K9 光学镜片的热/力特性测量系统，实现对激光辐照K9 光学镜片程中温度、应力演化的测量，结论为：

（1）脉宽不变时，随着激光频率的增大，占空比增大，进而导致镜片吸收能量产生的温升增大，对K9光学镜片损伤也越大，得到最高温度与激光频率的2阶多项式拟合函数y＝ 289.03213+0.02698x+4.19812 × 10-4x2。

（2）脉宽不变时，随着激光频率的增大，占空比增大，镜片温度升高，温度梯度增大，加剧镜片内部单元的涨缩，从而使得径向、环向应力均增大，对K9 光学镜片损伤也越大，得到径向、环向应力与激光频率的2 阶多项式拟合函数分别为y＝0.09583+1.61473 ×10-4x-4.92642 ×10-8x2、y＝0.03909 +1.4254 ×10-4x-6.95966 × 10-8x2。

通过新的方法得到了激光烧蚀光学镜片过程中表面温度与应变的演化，为光学镜片的精密加工如切割、打孔等方面提供支持。