Оптимизация двухлучевого лазерного раскалывания силикатного стекла

Никитюк Ю.В., Сердюков А.Н., Аушев И.Ю. Оптимизация двухлучевого лазерного раскалывания силикатного стекла // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 2. С. 80–86. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-02-80-86

Nikityuk Yu.V., Serdyukov A.N., Aushev I.Yu. Optimization of two-beam laser cleavage of silicate glass [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 2. P. 80–86. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-02-80-86 

Yu. V. Nikityuk, A. N. Serdyukov, and I. Yu. Aushev, "Optimization of two-beam laser cleavage of silicate glass," Journal of Optical Technology. 89(2), 121-125 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000121

Предмет исследования. В работе на основании численного моделирования определены значения технологических параметров, обеспечивающие эффективное двухлучевое лазерное раскалывание силикатных стёкол. Метод. Осуществлена многокритериальная оптимизация двухлучевого лазерного раскалывания стеклянных пластин с использованием генетического алгоритма MOGA, встроенного в модуль DesignXplorer программы ANSYS Workbench. Основные результаты. Расчёт температур и термоупругих напряжений выполнялся методом конечных элементов в квазистатической постановке в рамках несвязанной задачи термоупругости с использованием языка программирования APDL. С использованием гранецентрированного варианта центрального композиционного плана эксперимента была получена регрессионная модель двухлучевой резки стекла. В качестве варьируемых факторов использовались скорость обработки, мощность лазера с длиной волны излучения 10,6 мкм, радиус пятна излучения пучка с длиной волны излучения 10,6 мкм, мощность лазера с длиной волны излучения 1,06 мкм, радиус пятна излучения пучка с длиной волны излучения 1,06 мкм. В качестве откликов использовались максимальные температуры и напряжения растяжения в зоне лазерной обработки. Проведена проверка регрессионной модели на тестовом наборе данных. Полученные результаты позволяют сделать вывод о наличии необходимого соответствия регрессионной модели данным конечно-элементного анализа. Выполнена оценка влияния технологических параметров обработки на максимальные значения температуры и напряжений растяжения в зоне лазерной обработки. Установлено, что на максимальные температуры наибольшее воздействие оказывают скорость обработки и параметры лазерного пучка с длиной волны излучения 10,6 мкм, а на максимальные напряжения растяжения существенное влияние оказывают все варьируемые факторы. Оптимизация двухлучевого лазерного раскалывания стекла выполнялась для двух вариантов постановки задачи: по критерию максимума растягивающих напряжений и по критериям максимума растягивающих напряжений и максимума скорости обработки. Проведено сравнение параметров, полученных в результате оптимизации, и параметров, полученных в результате конечно-элементного моделирования. Максимальная относительная погрешность результатов, полученных при использовании алгоритма MOGA, не превысила 5% при определении максимальных температур и 9% при определении максимальных термоупругих напряжений в зоне лазерной обработки. Практическая значимость. В результате моделирования установлены параметры обработки, использование которых на практике обеспечит значительное повышение производительности и надёжности двухлучевой лазерной резки.