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。     

镍基高温合金光束耦合纳秒激光铣削表面成型质量研究

激光铣削具有材料适应性广、激光能量密度可调控以及无机械力等特点，可用于难加工材料镍基高温合金的材料去除加工。本团队采用光束整形的多激光束耦合纳秒激光开展了DZ411镍基高温合金微铣削表面的工艺研究，分析了扫描次数N、扫描速度v、扫描间距s、脉冲频率f以及激光功率P等工艺参数对铣削表面形貌、表面粗糙度、铣削效率以及表面元素分布等的影响机制。结果表明：多光束耦合激光对材料的去除机制主要是汽化与重熔，在加工表面形成了凸起与凹坑等周期性多尺度特征；当N=10、v=100 mm/s、s=25μm、P=15 W、f=10 kHz时，面槽底部的粗糙度R_a最大(51.75μm)，铣削效率也达到最大值(1.87 mm³/min)；随着扫描间距s由15μm增大到35μm或激光功率P由5 W增大到15 W，铣削效率逐渐增大；激光铣削过程中材料发生了复杂的物理化学变化，加工表面的凸起结构中可能包含多种金属氧化物和金属间化合物。本研究工作可以拓展激光加工的工艺类型，为新型激光铣削参数优化提供工艺支撑。     

能量耦合模型的飞秒激光烧蚀面齿轮形貌研究北大核心CSCD

飞秒激光精微加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA是去除材料的先进制造方法。本文依据烧蚀凹坑的深度与宽度和激光能量密度的关系得到材料的烧蚀阈值和影响重叠率的因素。考虑齿轮材料成分间互温感应效应与多脉冲激光累积效应,建立材料的能量复耦合模型。通过改变激光能量密度和脉冲数,研究飞秒激光烧蚀凹坑及齿面形貌表面的变化规律,得出脉冲数对烧蚀效果影响小,激光能量密度为1.730 J/cm2激光功率为1.9 W脉冲数N=3000进行烧蚀效果最好可得到最优的实际烧蚀面深度为17.604μm。     

采用化学腐蚀辅助皮秒激光成丝技术获得蓝宝石亚微米级精细切面的研究

以波长为1064nm的超短脉冲激光(脉宽为10ps)作为成丝激发源,引导自聚焦效应在蓝宝石内部产生了突破瑞利长度限制的成丝线迹。利用成丝区因相变而造成的与材料其他区域物相的不同,辅以化学腐蚀的方法,获得了切面粗糙度为800nm的蓝宝石切割件,该技术可实现自由路径切割。分析了皮秒激光的成丝特征和技术实现的工艺参数,确定了皮秒激光在蓝宝石内的自聚焦阈值功率为2.78×106 W,探究了激光峰值功率、聚焦位置及辐照点脉冲数对皮秒激光在蓝宝石内部成丝起始位置和切割质量的影响,获得了实现蓝宝石高精度切割的工艺参数。     

紫外激光刻蚀氧化锆陶瓷初步研究

描述了KrF准分子激光对氧化锆陶瓷的微刻蚀实验,研究了脉冲刻蚀深度与脉冲数的关系(刻蚀速率),刻蚀的槽的形貌,并进行了刻蚀小孔的初步研究,得到直径为40μm,深度为25μm的微孔矩阵。为KrF激光对该材料的加工提供实验数据。     

激光参量对血管支架重铸层及热影响区的影响

为了探究光纤微秒激光加工中关键工艺参量对心血管支架重铸层和热影响区的形成机理及变化趋势, 采用了基于不同单因素参量下光纤微秒激光切割316L医用不锈钢的实验方法。通过进行理论分析和实验验证, 得到了单因素参量下316L心血管支架的实物模型及其热影响区及重铸层的检测数据。结果表明, 重铸层厚度主要受脉冲宽度及激光功率影响, 随脉冲宽度和脉冲功率的增大而增大, 当脉宽为20μs时, 最小重铸层厚度为3.0μm; 热影响区厚度与脉冲宽度、脉冲频率、激光功率、切割速率有关, 即随脉冲宽度及脉冲频率的增大而增大, 随功率的增大先增大后减小, 随切割速率的增大先减小后增大, 当脉冲频率为5000Hz时, 最小热影响区厚度为0.2μm。通过研究316L心血管支架重铸层及热影响区的形成机理及变化趋势, 为后续的正交实验及抛光实验奠定了基础。     

飞秒激光直写太赫兹波段二维金属亚波长孔阵列

利用中心波长为775 nm、重复频率为1 kHz、脉宽为130 fs的飞秒激光脉冲对厚度为200μm的铜片进行微加工,制作了适用于太赫兹(THz)波段(0.1~4 THz)的二维金属亚波长孔阵列。实验中,分别固定激光能量和加工时间,研究烧蚀孔直径随激光功率及加工时间的变化规律,发现激光偏振态是引起烧蚀缺口的主要原因。利用数值模拟软件(CST)计算出适用于THz波段的金属孔阵列结构参数,根据以上实验结果选择合适的激光参数制作了孔阵列。     

基于WS_2可饱和吸收体的被动调Q Tm,Ho:LLF激光器

利用二维过渡金属材料WS_2作为2μm波段可饱和吸收体,采用典型的X型四镜腔结构,实现了Tm,Ho:LuLiF_4激光器低阈值被动调Q运转。实验结果表明,吸收功率为260mW时开始启动调Q运转,吸收抽运功率大于650mW时,调Q激光脉冲进入稳定运转。抽运功率为2000mW时,在中心波长1895nm波段输出功率为88mW,典型脉冲宽度为4μs,重复频率为16.89kHz,对应最大单脉冲能量为5.21μJ。结果表明,WS_2材料可以作为2μm固体激光器的可饱和吸收体。     

激光去除光纤涂敷层的实验研究

采用波长为10. 6μm的TEA CO2 红外激光和波长为248nm的KrF准分子激光去除SMF28光纤涂敷层,研究了激光脉冲能量密度和脉冲数与涂敷层去除效果之间的关系。实验 证明,涂敷层去除厚度随激光脉冲能量密度的增加呈对数增长,随红外激光脉冲数的增加呈对数变化,随紫外激光脉冲数的增加呈线性变化,且去除效果在红外激光8.15J / cm2、20个脉冲和紫外激光452mJ / cm2、800个脉冲下达到最佳。     

长脉宽激光切割聚晶立方氮化硼工艺研究

为了获得聚晶立方氮化硼（PCBN）最优的激光切割质量和切割效率,依据烧蚀直径和入射激光脉冲能量的函数关系,得出PCBN烧蚀阈值为1.796J/cm2。采用Nd:YAG激光器对型号为BN250的PCBN进行切割试验,分析了切割速率、激光功率以及脉冲频率对切割质量的影响规律。通过切缝的显微观测对比,总结出不同激光工艺参量下PCBN缝宽的变化趋势。结果表明,对于脉宽为100μs的激光,当激光功率为28W、脉冲频率为60Hz、切割速率为20mm/min时,能够获得PCBN激光切割的最优切缝和较高的切割效率。该工艺方法和数据的建立,对今后PCBN或其它超硬材料的激光加工有着重要参考价值。     

脉冲光纤激光切割连杆裂解槽工艺参量优化

为了获得36MnVS4连杆裂解槽最优的切割质量,采用正交实验法对裂解槽进行了激光切割理论分析和实验验证,通过激光共聚焦显微镜测量裂解槽的深度、宽度、张角及曲率半径等几何尺寸,同时采用扫描电镜观测裂解槽底部微观形貌及热影响区的厚度,采用极差分析法得到了峰值功率、脉冲宽度、切割速率和脉冲频率对裂解槽几何尺寸的影响,并获得了最优实验参量组合。结果表明,裂解槽热影响区厚度皆小于100μm且裂解槽底部存在微裂纹及气孔,各参量组合对裂解槽宽度、张角及曲率半径的影响较小,对裂解槽深度的影响较大;脉冲宽度和峰值功率对槽深的影响较大,脉冲频率和切割速率对槽深的影响较小;优化后切割速率为1.0m/min,峰值功率为700W,脉冲频率为1000Hz,脉冲宽度为50μs。这一结果对实际生产具有重要意义。     

激光工艺参数对PCD刀具材料去除量的影响

为了提高聚晶金刚石(PCD)刀具断屑槽激光去除的效率,选取激光功率、频率、扫描速度和重复次数作为实验因素,以PCD刀具材料去除量为响应指标。通过实验设计,利用Minitab软件建立了聚晶金刚石材料去除量与激光工艺参数之间的回归方程,并对工艺参数进行了优化。实验结果表明,功率对材料去除量的影响最大,频率次之,重复次数影响最小,工艺参数之间的交互作用也影响着材料去除量。所建立的回归方程能够较好地反映聚晶金刚石材料去除量与激光工艺参数之间的关系。     

飞秒激光脉冲数对P型HgCdTe激光打孔成结效果的影响

飞秒激光对p型Hg Cd Te打孔形成PN结.该实验基于1 k Hz低重复频率飞秒激光采用不同脉冲数在p型Hg Cd Te上打孔形成尺寸不同的微孔结构.实验发现脉冲数是影响成结效果的重要参数.激光诱导电流(LBIC)检测表明,随着脉冲数由单个增至10个,微孔侧壁反型层宽度由13.5μm减小到10.5μm.当脉冲数增大至100个时,微孔LBIC信号曲线已严重偏离PN结所对应的正负峰对称线形,意味着结特性趋于失效.对LBIC曲线拟合表明,单脉冲打孔形成的PN结给出最大的载流子扩散长度,约为17μm,而10个脉冲对应的环孔PN结扩散长度则减小为12μm.     

基于二维材料的短脉冲光纤激光器研究进展

新型二维材料制备工艺简单、成本低、兼容性好,相比于传统可饱和吸收体具有宽工作波段以及高损伤阈值的优越性,在获得短脉冲光纤激光器方面具有广泛的应用前景。本文展示了石墨烯、过镀金属族硫化物以及拓扑绝缘体等新型二维材料的结构、性质；对基于新型二维材料的短脉冲光纤激光器的国内外研究进展进行了阐述；对该领域的发展趋势进行了概括总结。对应用于光纤激光器短脉冲技术的新型二维材料的研究趋势具有指导意义,有利于材料研究和激光研究两个不同领域进一步的交叉融合。     

聚晶金刚石复合片激光切割工艺研究

聚晶金刚石(PCD)复合片因其硬度高、耐磨性好等性能在刀具行业应用广泛,为了探究PCD复合片的激光切割工艺特性,获取最优的切割质量和加工效率,减少磨削余量,采用Nd∶YAG激光器对1.6 mm厚PCD复合片进行切割工艺试验。利用数字显微镜和光学轮廓仪对材料切割表面及断面进行观测分析,系统研究了激光功率、切割速度、脉冲频率及离焦量等工艺参数对切割质量的影响。通过正交试验的直观分析与方差分析对工艺参数进行分析与优化设计,同时探究不同参数下激光能量对材料的作用机理。结果表明:材料表面能量密度的大小决定着激光切割质量,选用激光功率80 W,切割速度80 mm/min,脉冲频率60 Hz,零离焦量的切割参数,获得了切缝宽度为173.10 μm,切缝单边锥度为5.90°,表面粗糙度Ra=0.65 μm 的优良PCD复合片激光切割质量。     

基于超快激光的聚四氟乙烯二维光子晶体制备工艺研究

聚四氟乙烯由于具备低介电常数、对0.7～2.5 THz的光传输损耗低等特性，在光子晶体基底材料领域具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值。采用飞秒激光器对聚四氟乙烯薄板进行制备二维光子晶体的工艺研究，其中激光器脉宽为388 fs，重复频率为100 kHz。通过对激光烧蚀试验结果拟合，得到聚四氟乙烯薄板在1040 nm波长下的单脉冲损伤阈值为840 mJ/cm²。此外，分析了不同激光参数对二维光子晶体制备工艺结果的影响，发现激光在多脉冲叩击法路径下获得的单层微孔加工质量最好。进一步研究了激光加工功率、扫描速度和扫描次数对圆柱形周期性结构的影响规律，结果表明，在激光加工功率为9 W、扫描速度为100 mm/s、扫描次数为9时能获得结构均匀的微孔阵列。本试验对采用超快激光加工制备聚四氟乙烯二维光子晶体有一定的参考价值。     

脉冲光纤激光加工36MnVS4连杆裂解槽的研究

为了获得新材料36 MnVS4连杆裂解槽的最优切割质量,采用光纤激光器对36 MnVS4连杆进行了裂解槽激光加工的工艺研究,分析了离焦量、峰值功率、脉冲宽度、切割速度和脉冲频率对裂解槽几何尺寸的影响,通过激光共聚焦显微镜测量对比,研究不同激光工艺参数下裂解槽几何尺寸的变化规律。结果表明:负离焦能加工出质量更好的裂解槽;峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率和切割速度对槽深和张角的影响较大,对槽宽和曲率半径的影响较小,但在裂解槽深度为0.5~0.6 mm时,张角在10°~25°的较小范围内变化。     

电磁复合场驱动激光减材直接成型V型槽形貌研究

研究了电磁复合场对激光减材加工V型槽形貌的影响。在激光减材过程中同时施加稳态电场与稳态磁场,以获得定向洛伦兹力,从而驱动熔池排溢;通过实验研究了激光参数以及电磁场参数对V型槽形貌的影响规律。实验结果显示：在电磁复合场环境下通过改变激光参数得到了角度范围为34.82°～65.20°、深度范围为1719～5667μm的V型槽;角度随着激光功率的增加和扫描速度的降低而减小,深度随着激光功率的增加和扫描速度的降低而增大;当激光功率为1800 W时,随着磁感应强度从0 mT增大至1200 mT,V型槽底部的重熔层厚度从764μm下降至42μm;材料去除效率主要受激光功率的影响,并随着激光功率的增加而增大。加工出的目标V型槽的角度公差等级为精密（f）,深度线性公差等级为中等（m）,表面粗糙度Ra值为22.4μm。稳态磁场与稳态电场所提供的向上的洛伦兹力克服重力及表面张力驱动熔池向上流动,熔体以多次飞溅的形式脱离基体,实现一次直接成型V型槽。     

激光清洗5083铝合金表面漆层的数值模拟与试验研究

为了探索不同功率的激光对铝合金表面漆层的温度场分布以及清洗深度的影响,以及光斑搭接率对清洗效果的影响,利用COMSOL multiphysics软件建立了光纤脉冲激光清洗5083铝合金表面漆层的数值模型,最后得既能够防止基体表面受到损坏,也能够使得漆层材料完全去除的激光功率,以及可以获得良好清洗效果的光斑搭接率,并用实验来得以验证。结果表明：激光重复频率为100 kHz时,激光功率越大,试样表面温度上升越快,烧蚀深度也随之增加。当30 W的激光功率基本上可以保证去除掉漆层且不伤及基体表面,对基体材料的烧蚀深度为10μm。在激光功率为30 W,光斑搭接率为50%的实验参数下,试样表面粗糙度较清洗前降低,为4.48μm,在该实验参数下可以获得不伤及铝合金基体的良好的清洗效果。该实验结果可以为光纤脉冲激光清洗的工艺参数的选择提供参考。     

热膨胀机制产生窄带激光声信号的方法研究

为压缩激光声信号的带宽,基于热膨胀激光致声理论提出了一种采用高重频激光脉冲串产生窄带声信号的方法(重频法),推导了最优重复频率的计算过程,并通过实验测量对重频法进行了验证。以声信号在中心频率处的功率谱密度为参考标准,将重频法与长脉冲法产生窄带声信号的性能进行了比较。理论分析与实验结果表明,激光器在最优重复频率下产生的声信号窄带特性最好;最优重复频率与激光波长、光束半径以及观测角有关;激光脉冲数大于10时,重频法的性能优于长脉冲法;脉冲数为100时,在中心频率处重频法的功率谱密度比长脉冲法高9.3dB。