声流增强等离子体抛光熔融石英光学元件的工艺优化与表面完美化研究

针对熔融石英光学元件在超精密加工中面临的表面质量差、材料去除效率低等难题，研究人员创新性地提出声流增强等离子体抛光(AFEP)技术。该技术通过声学诱导流体动力学场优化等离子体横向运动，使表面粗糙度(Sa)从161 nm降至1.09 nm，材料去除率提升10%，为高功率激光系统和天文仪器中的光学元件制造提供了高效无损伤的解决方案。

　　

熔融石英光学元件因其优异的光学透过率、热稳定性和机械强度，被广泛应用于激光核聚变、天文望远镜等高端领域。然而，这种材料的高硬度特性给超精密加工带来巨大挑战——传统机械抛光会产生超过200 nm的亚表面损伤层，化学机械抛光(CMP)虽能实现0.2 nm的表面粗糙度但效率低下，而离子束抛光又成本高昂。这些技术瓶颈严重制约了光学元件在极端环境下的性能表现。

为突破这些限制，来自中国国家自然科学基金委和广东省自然科学基金支持的研究团队在《Optical Materials》发表了一项创新研究。他们开发了声流增强等离子体抛光(Acoustofluidic-Enhanced Plasma Polishing, AFEP)技术，巧妙地将声辐射力与超高频率微振动引入等离子体加工过程。通过实验证实，这种新型技术不仅能将熔融石英的表面粗糙度从161 nm大幅降低至1.09 nm，还使材料去除率比常规等离子体方法提高了10%。

研究采用了等离子体激发功率调制、气体流速调控等关键技术方法，并利用高速摄像系统捕捉等离子体射流轨迹变化。实验样本采用标准熔融石英光学元件，通过对比AFEP与传统等离子体抛光的效果差异，系统评估了加工效率与表面质量指标。

在"Processing efficiency"部分，研究揭示了声流场对等离子体能量分布的优化作用：当激发功率从200 W提升至400 W时，AFEP的材料去除率(MRR)呈现线性增长，最高达到3.2 μm/h，比对照组提高40%。"Changes in jet trajectory"章节则通过时序图像分析证明，声学调制能使等离子体射流宽度增加18 mm，射流稳定性提升35%，这归因于声波引起的电子密度梯度降低(<10¹⁸ m^?3/mm)。

研究结论指出，AFEP技术的突破性在于实现了两个关键机制的协同作用：一是声辐射力增强了等离子体中激发态离子的均匀分布；二是兆赫兹级微振动促进了等离子体的扩散和电离过程。这种双重效应不仅解决了传统等离子体抛光中能量分布不均(Wz >5 nm)和去除率波动(>25%)的核心问题，还为复杂曲面光学元件(曲率半径<5 mm)的纳米级加工提供了新方案。

该研究的科学价值在于建立了声流动力学与等离子体加工的理论桥梁，其开发的AFEP技术框架对高功率激光器、空间望远镜等关键领域的光学制造具有重大意义。特别是对需要亚λ/20(λ为波长)面形精度的极端光学系统，这项技术提供了兼顾效率与精度的创新解决方案，将推动精密光学制造技术向更高水平发展。