超强激光科学卓越创新简报

(第四百零一期)

2023年6月27日

上海光机所在碳化硅表面飞秒激光改性提升抛光效率研究方面取得进展

　　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碳化硅表面飞秒激光改性提升抛光效率研究方面取得进展。研究发现通过飞秒激光对预涂有Si粉的RB-SiC表面进行改性，能够获得结合强度为55.46N的表面改性层。且改性后的RB-SiC的表面仅经过4.5小时的抛光，即可得到表面粗糙度Sq为4.45nm的光学表面，与直接研磨抛光相比，抛光效率提高了3倍以上。该研究成果拓展了RB-SiC的表面改性方法，并且激光的可控性和该方法的简单性，使得它可以用于复杂轮廓的RB-SiC表面改性处理。相关成果发表在Applied Surface Science（《应用表面科学》）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作为一种典型的高硬度、复相材料，在烧结过程中液态Si与C发生化学反应时，有15%-30%的残余硅留在坯体中。而这两种材料抛光性能的差异，在表面精密抛光过程中会在SiC相和Si相组分的交界处形成微台阶，容易发生衍射，不利于获得高质量的抛光表面，给后续的抛光带来了巨大的挑战。

　　针对上述问题，研究提出了一种飞秒激光表面改性预处理方法，利用飞秒激光对预涂有硅粉的RB-SiC表面进行改性，不仅可以解决由于两相抛光性能差异而引起的表面散射问题，而且可以有效地降低RB-SiC基体的抛光难度，提升抛光效率。研究结果表明，RB-SiC表面预涂Si粉在飞秒激光作用下被氧化，并且随着氧化逐渐深入界面，改性层与RB-SiC基体形成键合。通过优化激光扫描参数来调整氧化深度，获得了结合强度为55.46N的高质量改性层。该改性层相较于RB-SiC基体更易于抛光，使得预处理后的RB-SiC表面粗糙度可以在短短几个小时的抛光中降低到Sq4.5nm，与RB-SiC基体的磨料抛光相比，抛光效率提高了3倍以上。此外，该方法操作简单、对RB-SiC基体表面轮廓的要求低，可以应用于更复杂的RB-SiC表面，并显着提高抛光效率。

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图1 研究摘要图

图2 改性层抛光前后表面粗糙度及3D形貌