最近，期刊《Optics and Laser Technology》发表了题为“Surface topography and subsurface structure evolution in laser micro polishing of monocrystalline silicon”的论文。博士生黄惟琦为论文第一作者，肖峻峰副教授为论文通讯作者。

超光滑硅表面在短波光学中至关重要，但在加工过程中引入的表面缺陷和亚表面损伤会影响光学性能，进而影响光学系统的成像质量和传输效率。激光微修复作为一种多功能且高效的超精密修复技术，能够利用材料熔融流动修复表面与亚表层损伤。现有研究很少深入探讨熔化前表面形貌的变化，并且忽略了表面形貌和亚表面结构变化之间的相关性。此外，对影响粗糙度的评估仅限于单一工艺参数和单脉冲平均能量密度。本研究综合考虑了表面形貌与亚表面结构对激光能量密度的响应特点，将激光修复的过程划分为六个阶段：膨胀、融合、平滑、沟槽、波动、烧蚀，并建立了工艺参数与表面修复效果之间的映射关系，推导了考虑多个参数的无量纲能量密度，并提出用于工艺参数优化以确保最佳修复结果的预测模型。首先利用白光干涉仪与拉曼光谱检测发现激光修复单晶硅的表面形貌与亚表层结构演化主要受三个作用影响：塑性膨胀、熔融流动、沸腾气化。塑性膨胀阶段材料表层产生纳米级突起，亚表层发生塑性变形诱导非晶化与高温退火诱导固相晶化。熔融流动使单晶硅表面质量与亚表层结构都达到最佳，表面粗糙度可降低至亚纳米级，亚表层畸变与残余应力近零。其次，建立了考虑多变量的激光修复无量纲参数，利用无纲速度与能量密度，可便捷的确定具体工艺参数对应的修复效果。最后，基于无量纲分析与实验结果，形成了激光修复最优参数预测模型。本研究为激光修复的参数选择提供了理论指导，以满足单晶硅超光滑光学元件的超精密制造需求。

单晶硅的激光修复表面形貌与亚表层结构演化

本研究得到了国家自然科学基金(52225506，51705172，52375430，52188102)的资助。

论文信息：Weiqi Huang, Tao Li, Gui Long, Chuangting Lin, Kai Huang, Zhengding Zheng, Junfeng Xiao, Jianguo Zhang, Jianfeng Xu, Surface topography and subsurface structure evolution in laser micro polishing of monocrystalline silicon, Opt. Laser Technol, 2024, 177: 111068.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2024.111068