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(yan)究(jiu)方面(mian)(mian)取得進展(zhan)。研(yan)究(jiu)發現通過飛秒激光(guang)(guang)對預涂(tu)有(you)Si粉的(de)(de)RB-SiC表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)進行(xing)改(gai)性，能夠獲得結合強度為55.46 N的(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)改(gai)性層(ceng)。且(qie)改(gai)性后的(de)(de)RB-SiC的(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)僅經(jing)過4.5小時(shi)的(de)(de)拋光(guang)(guang)，即可得到(dao)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙度Sq 為4.45 nm的(de)(de)光(guang)(guang)學(xue)(xue)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)，與直(zhi)接研(yan)磨拋光(guang)(guang)相(xiang)比，拋光(guang)(guang)效率提(ti)高了3倍以上。該(gai)研(yan)究(jiu)成果拓展(zhan)了RB-SiC的(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)改(gai)性方法，并且(qie)激光(guang)(guang)的(de)(de)可控性和(he)該(gai)方法的(de)(de)簡單性，使得它可以用于復雜輪廓的(de)(de)RB-SiC表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)改(gai)性處理。相(xiang)關(guan)成果發表(biao)(biao)(biao)在Applied Surface Science（《應用表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)科(ke)學(xue)(xue)》）上。

       RB-SiC作為(wei)一(yi)(yi)種碳化硅陶(tao)瓷，具有(you)優(you)異(yi)的(de)(de)性(xing)能，已成(cheng)為(wei)輕型大(da)型望遠鏡(jing)光(guang)學(xue)部件（尤其是(shi)(shi)大(da)尺寸和復雜形(xing)狀反射鏡(jing)）最優(you)秀(xiu)、最可行的(de)(de)材(cai)料(liao)之一(yi)(yi)。但(dan)是(shi)(shi)RB-SiC作為(wei)一(yi)(yi)種典型的(de)(de)高硬度、復相(xiang)材(cai)料(liao)，在(zai)燒結過程中液(ye)態(tai)Si與C發生(sheng)化學(xue)反應時，有(you)15%-30%的(de)(de)殘余硅留在(zai)坯體中。而這兩種材(cai)料(liao)拋(pao)光(guang)性(xing)能的(de)(de)差異(yi)，在(zai)表面精密拋(pao)光(guang)過程中會在(zai)SiC相(xiang)和Si相(xiang)組分的(de)(de)交界處(chu)形(xing)成(cheng)微臺(tai)階，容易發生(sheng)衍射，不利(li)于(yu)獲得高質量的(de)(de)拋(pao)光(guang)表面，給后續的(de)(de)拋(pao)光(guang)帶(dai)來(lai)了巨大(da)的(de)(de)挑(tiao)戰。

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。通過優化激光掃描參數來調整氧化深度，獲得了結合強度為55.46 N的高質量改性層。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(pao)光(guang)(guang)相比，拋(pao)光(guang)(guang)效(xiao)率提高了3倍以上。此外，該方法操(cao)作簡(jian)單、對(dui)RB-SiC基體(ti)表面輪廓的要求低，可以應用于更復(fu)雜的RB-SiC表面，并(bing)顯著提高拋(pao)光(guang)(guang)效(xiao)率。

圖2 改性層拋光前(qian)后表面(mian)粗糙度及(ji)3D形貌