近期，中國科學院上海光學精密機械研究所精密光學制造與檢測中心實驗室魏朝陽研究員團隊在碳化硅表面飛秒激光改性提升拋光效率研究方面取得進展。研究發(fā)現(xiàn)通過飛秒激光對預涂有Si粉的RB-SiC表面進行改性，能夠獲得結(jié)合強度為55.46 N的表面改性層。且改性后的RB-SiC的表面僅經(jīng)過4.5小時的拋光，即可得到表面粗糙度Sq 為4.45 nm的光學表面，與直接研磨拋光相比，拋光效率提高了3倍以上。該研究成果拓展了RB-SiC的表面改性方法，并且激光的可控性和該方法的簡單性，使得它可以用于復雜輪廓的RB-SiC表面改性處理。相關成果發(fā)表在Applied Surface Science（《應用表面科學》）上。
RB-SiC作為一種碳化硅陶瓷，具有優(yōu)異的性能，已成為輕型大型望遠鏡光學部件（尤其是大尺寸和復雜形狀反射鏡）最優(yōu)秀、最可行的材料之一。但是RB-SiC作為一種典型的高硬度、復相材料，在燒結(jié)過程中液態(tài)Si與C發(fā)生化學反應時，有15%-30%的殘余硅留在坯體中。而這兩種材料拋光性能的差異，在表面精密拋光過程中會在SiC相和Si相組分的交界處形成微臺階，容易發(fā)生衍射，不利于獲得高質(zhì)量的拋光表面，給后續(xù)的拋光帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
圖1 研究摘要圖
針對上述問題，研究提出了一種飛秒激光表面改性預處理方法，利用飛秒激光對預涂有硅粉的RB-SiC表面進行改性，不僅可以解決由于兩相拋光性能差異而引起的表面散射問題，而且可以有效地降低RB-SiC基體的拋光難度，提升拋光效率。研究結(jié)果表明，RB-SiC表面預涂Si粉在飛秒激光作用下被氧化，并且隨著氧化逐漸深入界面，改性層與RB-SiC基體形成鍵合。通過優(yōu)化激光掃描參數(shù)來調(diào)整氧化深度，獲得了結(jié)合強度為55.46 N的高質(zhì)量改性層。該改性層相較于RB-SiC基體更易于拋光，使得預處理后的RB-SiC表面粗糙度可以在短短幾個小時的拋光中降低到Sq 4.5 nm，與RB-SiC基體的磨料拋光相比，拋光效率提高了3倍以上。此外，該方法操作簡單、對RB-SiC基體表面輪廓的要求低，可以應用于更復雜的RB-SiC表面，并顯著提高拋光效率。
圖2 改性層拋光前后表面粗糙度及3D形貌
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