【技术实现步骤摘要】
一种可实现熔石英微透镜阵列CO2激光精密抛光的初始微结构临界尺寸设计方法
[0001]本专利技术涉及光学加工
，具体而言，涉及一种可实现熔石英微透镜阵列CO2激光精密抛光的初始微结构临界尺寸设计方法。
技术介绍
[0002]微透镜阵列广泛用于3D成像、莫尔成像、复眼成像、光束整形、光纤耦合连接、红外探测、液晶显示等方面。同时，由于熔石英具有热膨胀系数低、热稳定性及化学稳定性好的特点，为满足光学元件在高温环境下对热稳定性的要求，可在熔石英表面加工微透镜阵列。针对熔石英微透镜阵列的制备，CO2激光烧蚀快速去除与CO2激光熔融抛光的组合方法是一种很有前景的加工方法，材料的烧蚀去除和熔融抛光共用一套激光设备，避免重复装夹和定位工件，降低了加工成本，提高了加工效率。
[0003]首先，利用高功率密度CO2激光辐照熔石英，使材料迅速达到烧蚀状态，实现微透镜阵列初始微结构的快速成形；其次，采用低功率密度CO2激光辐照初始微结构，使其表层材料温度逐渐升高进而熔融流动，通过表面材料的重新分配加工出微透镜阵列，并提高加工表面质量。...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种可实现熔石英微透镜阵列CO2激光精密抛光的初始微结构临界尺寸设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据微透镜阵列中微透镜的形状及排布方式，设计可实现CO2激光精密抛光熔石英微透镜阵列的初始微结构；步骤二、基于热力学和流体力学理论，建立CO2激光熔融抛光熔石英初始微结构的仿真模型；步骤三、在步骤二建立的仿真模型基础上，对CO2激光熔融抛光熔石英微透镜阵列的初始微结构的温度场仿真，用于确定当CO2激光单点辐照时，熔石英表面达到稳定温度与激光功率和激光半径之间的关系；步骤四、根据步骤三确定的熔石英表面达到稳定温度与激光功率和激光半径之间的关系，以及微柱的结构参数，确定CO2激光熔融抛光的半径和功率；步骤五、根据步骤二建立的仿真模型，对熔石英微透镜阵列不同结构参数的初始微结构的CO2激光熔融抛光过程进行仿真，得到微透镜的尺寸和形貌；步骤六、对比步骤五得到的不同结构参数的初始微结构相应的微透镜仿真形貌与目标微透镜形貌及尺寸，确定能加工出目标微透镜阵列的初始微结构的临界尺寸，即微柱的宽高比r的范围。2.根据权利要求1所述的一种可实现熔石英微透镜阵列CO2激光精密抛光的初始微结构临界尺寸设计方法，其特征在于：在步骤二中，对CO2激光与熔石英的相互作用过程进行简化，通过耦合热源方程、传热方程和能量守恒方程控制的温度场以及动量守恒方程和连续性方程控制的熔融流动过程，建立熔石英微透镜阵列的CO2激光熔融抛光初始微结构过程的仿真模型。3.根据权利要求2所述的一种可实现熔石英微透镜阵列CO2激光精密抛光的初始微结构临界尺寸设计方法，其特征在于：在步骤二中，还包括熔石英材料属性的确定、边界条件的选取、网格划分和模型准确性的验证。4.根据权利要求3所述的一种可实现熔石英微透镜阵列CO2激光精密抛光的初始微结构临界尺寸设计方法，其特征在于：在步骤三中，以微柱整体能发生熔融流动且不发生烧蚀为原则，确定CO2激光熔融抛光的半径和功率。5.根据权利要求4所述的一种可实现熔石英微透镜阵列CO2激光精密抛光的初始微结构临界尺寸设计方法，其特征在于：在步骤三中，加工表面温度介于熔石英熔点的2273K与熔石英烧蚀温度2973K之间。6.根据权利要求3所述的一种可实现熔石英微透镜阵列CO2激光精密抛光的初始微结构临界尺寸设计方法，其特征在于：激光抛光过程中的温度场由能量守恒方程控制，如下式：式中，ρ为材料密度；C
p
为材料比热容，为模拟过程中考虑熔化潜热后的等效比热容；为材料热力学温度T随时间t的变化率；为流体速度；q为导热项，由傅里叶方程控制；q0为与外界热交换的值，具体由边界条件控制；k为导热系数；
▽
为梯度运算符；
采用体热源方式表达激光热源，表达式如下：式中，Q(x,y,z)为体热源热量；α为熔石英对10.6μm激光的吸收系数；R为菲涅尔反射系数；x0和y0分别为激光光斑位置的沿x轴和y轴的坐标；x、y和z分为材料沿x轴、y轴和z轴的坐标；a为激光在光强为1/e处的半径；建立模型时考虑了热对流和热辐射导致的传热，在熔石英与空气的界面处存在自然热对流，其公式如下：q＝h(T
‑
T
ext
) (3)式中，h为对流换热系数，为15W/(m2*K)；T
ext
【专利技术属性】
技术研发人员：程健，张紫晓，陈继祥，陈明君，赵林杰，贺欣欣，杨子灿，张天浩，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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