超强激光科学卓越创新简报

(第二百八十八期)

2022年6月30日

上海光机所在飞秒激光抛光反应烧结碳化硅研究中取得新进展

　　近期，中国科学院上海光学精密机械研究所精密光学制造与检测中心实验室在飞秒激光抛光反应烧结碳化硅（RB-SiC）研究中取得新进展。研究发现根据RB-SiC中Si相和SiC相烧蚀阈值的差异，能够实现飞秒激光选择性去除表面凸起的不规则分布的Si层，有效快速的降低表面粗糙度，获得高质量表面，与传统的金刚石磨粒抛光相比能够有效提高抛光效率。该研究成果拓展了RB-SiC的抛光方法，并且为复相材料的飞秒激光加工提供了一种新的思路。相关成果以“Femtosecond laser-selective polishing of RB-SiC at a fluence between its two-phase threshold”为题发表在Optical Materials Express（《光学材料快讯》）上。

　　RB-SiC作为一种碳化硅陶瓷，具有优异的性能，已成为轻型大型望远镜光学部件（尤其是大尺寸和复杂形状反射镜）最优秀、最可行的材料之一。但是，RB-SiC不仅具有很高的硬度，而且还是一种典型的复相材料，在烧结过程中液态硅与碳发生化学反应时，有15%-30%的残余硅留在坯体中。两种材料抛光性能的差异，进一步加大了RB-SiC的抛光难度。目前该材料主要采用金刚石微粉抛光，但其抛光效率较低，使得RB-SiC的加工周期长、成本高。

　　针对上述问题，研究人员提出了一种飞秒激光选择性抛光技术，基于RB-SiC中Si和SiC相的烧蚀阈值不同，实现选择性去除表面凸起的 Si 毛刺来降低粗糙度。研究通过双温模型和实验拟合计算，得到了SiC和Si的飞秒激光多脉冲烧蚀阈值。在两相烧蚀阈值之间进行飞秒激光抛光工艺优化后，对不同扫描次数下的表面形貌和粗糙度进行了分析。通过参数优化，能够实现快速的将表面粗糙度从35nm左右降至约11nm，相比传统的抛光手段极大的提高了抛光效率。这种选择性抛光技术还可以用于指导其他复相材料以及阶梯材料的飞秒激光加工。

　　相关工作得到了国家青年人才项目、国家自然基金、中科院青年创新促进会、上海市扬帆计划的支持。

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图1 飞秒激光选择性抛光实验结果