飞秒激光烧蚀加工恒弹性合金的规律研究

恒弹性合金的加工对表面质量和加工精度的要求越来越高,为了实现对恒弹合金的精密定量去除,本文探索了采用飞秒激光烧蚀的加工新方法。首先,分析计算了在高强度飞秒激光辐照加工下,恒弹性合金材料的烧蚀阈值;其次,实验研究了飞秒激光脉冲能量和脉冲个数对该材料上烧蚀加工微坑的直径和深度的影响,结果表明：恒弹性合金的飞秒激光烧蚀阈值为0.167 J/cm2;可以通过增大脉冲能量来增大烧蚀坑直径,通过增大脉冲数来增大烧蚀坑深度。脉冲烧蚀坑直径上限为150.64 μm,运用飞秒激光旋切加工方法,可获得直径为500 μm的微孔,提高了飞秒激光烧蚀加工的能力。     

同点间隔多次激光微织构工艺研究

探讨了单脉冲同点间隔多次(SPI)工艺对激光微织构加工效果的影响。采用纳秒倍频Nd3+∶YAG激光器在45钢表面进行激光微织构实验,研究激光能量密度、脉冲个数对微凹腔几何形貌参数的影响规律;分析烧蚀所致表面等离子体对激光吸收率的影响;并从实验和温度场模拟角度,对比分析了SPI工艺相比同点连续多次工艺的特点及技术优势。结果表明:随激光能量密度增加,微凹腔直径呈对数函数关系增加,而凹腔深度则随之先增大后趋于平稳,最后略微下降。作用脉冲个数对凹腔直径影响不明显,但凹腔深度随之呈线性增加。较之同点连续多次工艺,SPI工艺能最大限度降低激光加工产生的负面热效应,且多脉冲作用对微织构内部形貌具有"平滑"作用;同时,在保证单个脉冲材料去除率的条件下,提高了激光加工高质量微织构的总效率。     

低真空中脉冲激光烧蚀凹腔的实验分析

在低真空条件下,利用Nd:YAG激光器产生的波长532nm、脉宽4.4ns的脉冲激光聚焦在置于低真空中的于钢铁样品,分析了激光作用后形成的凹腔形貌与激光能量密度、脉冲个数的关系。结果显示,凹腔的直径和深度随激光能量密度及脉冲个数的增大而增加,并且在能量密度小于20GW/cm~2及脉冲个数小于100的情况下凹腔的直径和深度增幅更为明显,反之,其增加趋势变缓。     

单晶金刚石飞秒激光加工的烧蚀阈值实验

采用不同功率的飞秒激光对单晶金刚石分别进行了单脉冲分离烧蚀实验和多脉冲累积烧蚀实验,计算得到了单晶金刚石材料的单脉冲烧蚀阈值和多脉冲累积烧蚀阈值,并研究了多脉冲作用下单晶金刚石烧蚀阈值的变化。结果表明:单晶金刚石的飞秒激光单脉冲烧蚀阈值为8.80 J/cm^2;随着有效脉冲数增加,烧蚀阈值逐渐减小;当有效脉冲数小于124时,烧蚀阈值随有效脉冲数的增加而急剧减小;当有效脉冲数增加到486后,烧蚀阈值减小的趋势趋于平缓。有效脉冲数486、激光平均功率10.7 W是最优的激光加工工艺参数。     

飞秒激光烧蚀面齿轮材料的形貌特征研究

飞秒激光加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA是一种面齿轮精微修正的新型加工技术。首先,根据烧蚀凹坑的直径和激光功率的定量关系得到激光的烧蚀阈值,根据烧蚀凹坑的深度和激光功率的定量关系得到材料的吸收系数。然后,考虑到能量累积效应,从高斯激光的聚焦方式考虑变离焦量效应,建立材料内部的能量吸收模型。最后,通过改变脉冲数和激光功率,研究飞秒激光烧蚀凹坑直径和深度的变化规律。实验结果表明,脉冲频率为200 kHz的飞秒激光脉冲数大于20时,烧蚀凹坑的直径和深度趋于稳定,这与理论结果相吻合。随着激光功率的增大,飞秒激光的加工质量有明显下降,当激光功率为1 W时,飞秒激光的加工质量良好且烧蚀深度足够深。     

准分子激光直写加工特性与脉冲参数关系的研究

以玻璃为实验靶材,用精密微动平台准确调节靶材位置,利用波长248nm的KrF准分子激光器,研究了准分子激光直写加工图形和激光脉冲数及脉冲能量之间的关系。实验证明,随着加工槽深度的增大,单个激光脉冲所烧蚀的深度逐渐减小,当达到一定的脉冲数时,所烧蚀槽的深度基本上保持不变。脉冲能量越大,刻蚀速率越大,其速率同样具有一个上限值。     

飞秒激光加工织构及织构对磨损的影响研究

采用自主搭建的飞秒激光平台,选用不同激光参数在铍青铜材质表面加工微凹坑织构,研究激光功率、激光脉冲数对织构直径和深度的影响规律;并采用摩擦磨损试验机销、盘摩擦副开展牙轮钻头滑动轴承模拟工况下的单元摩擦学实验,分析表面织构对滑动轴承润滑及摩擦学性能的影响。研究结果表明,随激光功率增加,织构直径逐渐增大,而织构深度则有相反的变化规律;激光脉冲数对织构直径无明显影响,织构深度则随脉冲数增加逐渐增大。此外,合理直径织构能有效减少牙轮钻头滑动轴承表面摩擦磨损,且随织构直径增加,摩擦副表面摩擦系数和磨损量呈现出先减小后增大的变化规律。     

飞秒激光烧蚀镍的数值模拟

为了研究金属镍的飞秒脉冲激光烧蚀特性,利用三维双温模型和采用有限差分法,对飞秒激光烧蚀镍的三维温度场进行数值模拟,计算得到了单脉冲烧蚀阈值、单脉冲烧蚀半径及烧蚀深度等。通过改变激光能量,研究了电子品格耦合时间随脉冲能量变化的规律以及脉冲能量对烧蚀半径、烧蚀深度、烧蚀速率的影响。模拟结果表明,随着飞秒脉冲激光能量的增加,材料烧蚀引起的喷射出现的越早,完成烧蚀所用时间越长,烧蚀速率越大,同时材料烧蚀孔半径、深度增加,最终趋于饱和。     

脉冲激光对单晶硅打孔的研究

采用波长为1064 nm的重复脉冲激光对单晶硅进行打孔实验,观测了小孔烧蚀深度以及表面孔径大小随脉冲个数的变化规律,并对激光辐照单晶硅的热力学过程进行了理论分析。研究结果表明:入射激光在穿过等离子体到达单晶硅的表面时,光斑尺寸会有所增大,小孔孔径会大于聚焦光束尺寸。小孔内的等离子体本身具有很高的温度,高温等离子体在膨胀过程中会通过热辐射和热传导等过程向小孔周围传递热量,这也会对小孔孔径起到一定的拓展作用。当脉冲个数低于6个时,孔深随入射脉冲个数的增加近似线性增长,而后开始缓慢增长直至保持不变,这主要是由激光等离子体屏蔽效应决定的。     

飞秒激光烧蚀YAG晶体的阈值及孵化效应研究

孵化效应在超快激光烧蚀和加工的过程中起着重要作用。文中通过实验研究了波长为1 030 nm的飞秒激光烧蚀YAG晶体的阈值和孵化效应。在单脉冲作用时,YAG表面发生“温和”烧蚀,具有较小的烧蚀孔径和深度;多脉冲作用时,由于孵化作用的影响,烧蚀阈值随着脉冲数的增加而显著降低。分别采用三种孵化模型,对比研究了其对YAG晶体烧蚀阈值的拟合效果。通过实验和拟合,得到单脉冲作用下烧蚀阈值为F_th,1=(12.27±3.56) J/cm²;多脉冲作用下,饱和孵化阈值为F_th,∞=(1.82±0.37)J/cm²。该研究为飞秒激光精密加工中的能量和脉冲数等参数的控制提供了参考。