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在光学材料加工中，APPJ 蚀刻 N-BK7 玻璃会产生含金属氟化物的残留层，影响蚀刻效果。研究人员探究温度对其激光烧蚀的影响。结果发现 193nm 和 248nm 波长可去除残留层，193nm 时最薄 95nm。该研究有助于提升加工精度。
在光学领域，现代光学设计对光学元件的要求愈发复杂，需要创新的制造方法来满足特定表面形状的需求。传统的机械研磨加工方式，如自由曲面研磨和局部抛光，尽管在不断改进，但在加工非球面或自由曲面透镜等复杂几何形状的光学元件时，仍存在诸多局限。由于这些元件表面曲率局部变化，加工过程中工具与表面的相互作用区域也随之改变，导致难以通过现有的工艺链实现足够的形状精度，需要多个加工步骤才能降低形状误差、控制中空间结构振幅和粗糙度。
为了解决这些问题，各种非接触式的确定性加工技术应运而生，其中大气压等离子体射流（APPJ）蚀刻技术备受关注。APPJ 蚀刻技术通过高频激发工艺气体产生射流状等离子体放电，使用 CF4等前驱气体形成具有化学反应活性的自由基，与材料表面发生反应实现材料去除。该技术在加工熔石英、碳化硅等材料时表现出色，能够获得高精度、低表面粗糙度的自由曲面光学表面，而且相较于离子束 figuring（IBF）技术，它无需昂贵且维护成本高的真空技术，蚀刻速率还能大幅提高。
然而，当 APPJ 蚀刻常用的光学玻璃 N-BK7? 时，却出现了问题。N-BK7? 玻璃含有多种金属氧化物，在蚀刻过程中会形成金属氟化物。这些金属氟化物沸点高，在典型的加工温度下不易挥发，会在玻璃表面堆积形成残留层。残留层不仅会降低蚀刻速率，还会因掩蔽效应显著增加蚀刻玻璃表面的粗糙度，严重影响蚀刻效果，甚至可能导致蚀刻停止。
为了解决 N-BK7? 玻璃 APPJ 蚀刻残留层的问题，国外研究人员开展了一项研究，旨在探究温度对 APPJ 蚀刻 N-BK7 光学玻璃残留激光烧蚀的影响，找到能被激光去除的最薄残留层厚度，以此提高加工形状精度、降低加工诱导的粗糙度。该研究成果发表在《Applied Surface Science》上。
研究人员在实验中使用了等离子体射流和激光系统，以及 3 轴 CNC 运动系统。实验样本为 N-BK7? 玻璃，样本被安装在带有集成加热器的样本架上。等离子体射流源由同轴波导系统组成，内电极是铜管，外电极是黄铜体，由微波供电，工艺气体为含有 0.2% CF4的氦气。实验过程中，研究人员改变 APPJ 蚀刻 N-BK7? 玻璃时的表面温度，随后用不同波长（λ = 193、248、308nm；tPulse = 20ns）的准分子激光照射蚀刻区域，最后利用白光干涉仪（WLI）和扫描电子显微镜（SEM）分析蚀刻和激光照射后的样本表面。
残留层厚度分布和蚀刻深度：研究发现，不同表面温度下的 APPJ 蚀刻 N-BK7 玻璃，其蚀刻深度和残留层厚度呈现出明显的变化趋势。蚀刻深度（通过溶剂清洗去除残留层后，所得高斯形沟槽横截面的最大深度来确定）随着表面温度的升高而增加，并且在一定温度时似乎会达到饱和。
激光烧蚀残留层效果：实验结果表明，在 193nm 和 248nm 波长下，不同温度蚀刻产生的残留层能够被去除。其中，193nm 波长下完全去除残留层的最薄厚度为 95nm；248nm 波长下，能完全去除残留层的最小厚度在 190 - 320nm 范围内。而在 308nm 波长下，在所选择的能量密度范围内，既未观察到残留层被去除，也未发现玻璃受到损伤。
这项研究意义重大。通过明确温度对 APPJ 蚀刻 N-BK7 玻璃残留层激光烧蚀的影响，为优化光学玻璃的加工工艺提供了重要依据。在实际生产中，能够根据这些研究结果选择合适的加工温度和激光参数，有效减少残留层厚度，提高光学玻璃的加工精度和表面质量，降低加工成本，推动光学制造领域的发展。同时，该研究也为其他类似的光学材料加工研究提供了参考和借鉴，有助于进一步拓展非接触式加工技术在光学领域的应用范围。
