重复激光脉冲作用下薄膜损伤演化规律研究

为了深入研究重复激光脉冲的能量效应对光学薄膜的烧蚀机理,采用实验观测与热力学分析相结合的方法进行了研究。通过观察光学薄膜烧蚀形貌随入射激光脉冲数量增加发生改变的典型形貌特征,分析了激光与等离子体相互作用的热力学过程,得到了在激光重复脉冲作用下光学薄膜的损伤特性及其演化规律。结果表明,薄膜在重复脉冲作用下,其表面会变得粗糙,这会大大增加对激光的吸收效应,从而加速了薄膜的破坏,最终被完全去除而露出基底;同时,烧蚀物会在热膨胀作用下向激光作用区域外扩散,在激光烧蚀中心区域外进行沉积,而形成更大范围的污染。由于激光光强为高斯分布,重复脉冲作用的效应主要是对在光束中心区域的薄膜进行集中烧蚀,会不断增加烧蚀的损伤程度,而对烧蚀面积的增加效应极为有限。这一研究结果为重复激光脉冲对薄膜烧蚀机理的建立提供了参考。     

光纤激光加工对Ti6Al4V粘接强度影响的研究

为了在Ti6Al4V表面加工不同的微结构,改变其表面形貌,从而提高其粘接接头的强度,采用纳秒光纤脉冲激光对Ti6Al4V表面进行了微加工,研究了脉冲能量和扫描间距对线阵及网格2种微结构的表面形貌及粘接接头强度的影响.结果表明:当脉冲能量和扫描间距相同时,网格结构比线阵结构能获得更大的粗糙度及表面积;激光加工能有效提高T...     

脉冲激光重复烧蚀石墨的反应性光声谱

利用脉冲ＮｄＹＡＧ激光器对石墨进行重复性烧蚀。在一定的激光能量下，激光光声强度随重复次数增加而衰减。表明烧蚀坑对能量和质量从样品中流出有抑制作用。     

5083铝合金阳极氧化膜激光清洗工艺研究

采用纳秒脉冲光纤激光器对5083铝合金阳极氧化膜进行清洗，对清洗试样的表面形貌、表面粗糙度、元素组成和含量、清洗率及清洗机制等进行分析。研究表明，脉冲频率影响扫描振镜方向的光斑搭接率，激光行进速度影响清洗方向的光斑搭接率，在过高的激光能量下清除氧化膜时会造成基体二次氧化。工艺参数对表面粗糙度的影响规律不同，表面粗糙度随单脉冲能量的增加先增大后减小，随脉冲频率的增加出现两次先减小后增大，随激光行进速度的增加先增大后减小再增大。当单脉冲能量为100 mJ、脉冲频率为9.67 kHz、扫描振镜速度为4000 mm/s、激光行进速度为6.5 mm/s时，5.27μm厚的氧化膜几乎被清洗干净，表面粗糙度为Sa=0.608μm，优于机械打磨表面粗糙度（1.18μm），清洗率达97.14%，与参数优化前相比清洗率提升了2.43%。激光清除5083铝合金氧化膜的机制为热烧蚀、弹性振动剥离和孔洞爆破。     

飞秒激光诱导TC4表面微观组织研究

为探究超快激光对金属材料的烧蚀特性,利用飞秒脉冲激光加工TC4,研究加工后TC4表面的形貌特点,分析飞秒激光加工金属的作用机理。当激光能量密度为8.05 J/cm2时,用白光干涉和扫描电镜观察不同扫描速度下材料表面的形貌变化。随着扫描速度的降低,表面条纹变深,条纹上方的二级微纳凸起尺寸增大,粗糙度增加,条纹侧面出现经典低空间频率条纹。从高斯光束特点和光斑重叠率角度对各种形貌的形成机理进行分析,高斯光束光斑中心处能量密度高,条纹上方形成凸起,侧面形成经典条纹;当光斑重叠率越大,单位面积内能量密度就越大,表面微结构尺寸也随之增大。     

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。     

工艺参数对激光冲击微造型效果的影响

激光表面织构(LST)是一种广泛应用的表面微造型方法,然而其主要缺点是消融过程会导致材料熔化、断裂以及改变表面微观组织。基于激光冲击强化(LSP)技术在Al7075表面开展微凹坑造型研究,其特点是既能克服激光表面织构的缺点,又能继承激光冲击强化的优点。使用AxioCSM700真彩色共聚焦扫描显微镜和VeccoWYKO表面形貌仪观察微凹坑的几何形貌,用HXD-1000TMSC/LCD MH-VK双压头显微硬度计测量微凹坑的内部以及周围表面的硬度。实验结果表明,微凹坑的直径和深度随激光的脉冲能量、冲击次数、离焦量、约束层K9玻璃厚度的变化呈现一定的变化规律;微凹坑的影响区域,沿着凹坑径向方向硬度逐渐增加,中心位置硬度最大,这有利于提高材料的抗磨损能力。     

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。     

激光毛化对电子标签粘接性能的影响

利用纳秒脉冲激光器对316不锈钢表面进行激光毛化处理,研究激光毛化后材料表面形貌对电子标签粘接性能的影响。通过微机控制万能试验机对粘接结合力进行测量,研究激光毛化对材料表面形貌及粘接性能的影响规律,确定最佳激光毛化工艺参数。激光毛化可有效地提高材料表面粗糙度及接触面积,在最佳激光毛化工艺(激光功率200 W,扫描速度4 050 mm/s,重复频率50 kHz,脉冲宽度270 ns,填充线间距0.081 mm)下,激光毛化后材料表面的粗糙度较未处理前的0.024μm提升到2.406μm;激光毛化后粘接结合力为48.5 N,较未处理的粘接结合力18.2 N提高了166%。     

基于图像的激光微尺度烧蚀质量估算方法

激光微尺度烧蚀下的烧蚀质量是激光微推进系统中评估比冲等性能参数的重要物理量,文中在利用扫描电镜得到的烧蚀坑图像的基础上,基于灰度表面重构形貌方法,建立了微尺度烧蚀坑形貌三维模型重构算法;针对图像噪声影响,对图像进行分段平滑,有效地解决了量化误差和灰度模糊对重构形貌的影响,实现了烧蚀坑体积估算.结果 表明:所提出的方法能够快速有效地重构激光微尺度烧蚀下烧蚀坑形貌的三维形状,进而计算其烧蚀质量.     

动态聚焦条件对脉冲CO2激光骨硬组织消融的影响

激光辐照生物组织消融过程中由于工作距离的变化引起的离焦现象对消融效果具有重要影响。以新鲜离体牛胫骨组织为实验样品,置于一维电动平移台上,移动速度为5.5mm/s;脉冲CO2激光(10.64μm)平行光束经一可移动聚焦透镜后垂直辐照样品表面,光斑直径为200μm。实验时通过移动聚焦透镜位置改变焦点位置,实现消融过程动态聚焦。激光辐照功率为6W,脉冲频率为420Hz,水喷雾协同工作,喷水速度为5.5mL/min。辐照后,利用扫描电镜观察消融凹槽微结构,用光学相干层析成像(OCT)技术测量消融凹槽深度。结果表明,动态聚焦条件可显著提高消融速率,消融深度随等效脉冲数增加而增加,消融速率呈减小趋势;在动态聚焦条件下获得的消融凹槽的表面形貌和微结构较离焦条件下更不规则。     

脉冲频率和单脉冲能量对准分子激光消蚀人尸正常主动脉的影响

设定激光照射能量，分别改变脉冲频率和单脉冲能量，用ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）准分子激光消蚀人尸正常主动脉。光镜下观察消蚀坑的组织形态学变化并测量消蚀坑深度，研究脉冲频率和单脉冲能量对消蚀过程的影响。     

皮秒激光烧蚀7075铝合金数值模拟与实验研究北大核心CSCD

为了解超快激光与材料相互作用的机理,优化激光金属烧蚀能力,以达到理想的烧蚀效果,本文在二维轴对称模型中引入了适用于超快激光烧蚀的双温模型,模拟了皮秒激光对于以7075铝合金为代表的低熔点合金的烧蚀行为。通过更改皮秒激光的功率密度和冲击次数,确定皮秒激光各参数对于7075铝合金的影响并与实验结果相对照。结果表明,激光烧蚀的深度小于通过双温模型计算出的金属熔化温度层,同时激光的烧蚀深度与激光密度线性相关,当烧蚀深度大于一定数值时,激光烧蚀深度几乎不随着烧蚀次数的增加而增大。     

YAG激光参量对刻蚀微坑形貌的影响

为了增加单次激光脉冲刻蚀微坑的深度,提高加工效率,利用双声光调制技术,通过对比不同能量密度的脉冲激光刻蚀微坑深度,及对比两种激光器输出的激光脉冲刻蚀微坑形貌,研究了激光参量对刻蚀微坑形貌的影响。结果表明,脉冲能量密度为20.21J/cm2时,刻蚀微坑深度达到最大值,继续增加能量密度时,微坑深度将随之减小;相比于单腔激光器,双腔激光器刻蚀微坑深度从5μm增加至10μm,微坑直径从161μm降至134μm。     

长脉冲致硅基 QPD损伤面积及形貌实验研究

为了研究硅基QPD在不同能量密度、不同脉宽激光辐照下的损伤面积、形貌,基于二维显微测量技术,测量了硅基QPD单一象限的损伤面积、形貌随激光能量密度和脉宽的变化。结果表明,在毫秒脉冲激光作用下,硅基QPD产生表面剥落、褶皱、裂纹、熔坑等损伤效果,且主要受入射激光功率密度影响,损伤面积随激光能量密度逐渐增加,随脉宽增加逐渐降低。通过实测分析,得出了不同激光脉宽下,硅基QPD表面形貌损伤阈值。激光脉宽为0.5 ms,能量密度为15.79 J/cm2时,硅基QPD出现熔融损伤;而脉宽为1.0、1.5、2.0、3.0 ms时,硅基QPD出现表面剥落的能量密度值为14.12、33.94、39.76、47.62 J/cm2。     

单脉冲平顶激光清洗CFRP的多物理场特性研究

为探究平顶激光清洗碳纤维增强复合材料(CFRP)的作用机制,本研究考虑CFRP的组分对激光的吸收、反射特性差异显著,将激光载荷分层施加到CFRP的细观有限元模型上,引入热烧蚀-热应力双重作用效果,还原不同能量密度下单脉冲平顶激光清洗形貌,并完成了试验验证。结果表明:分层施加激光载荷较传统表面加载模式能够有效提升仿真精度,采用热烧蚀-热应力双重判据能够进一步提升形貌还原效果,本研究模型的仿真形貌长轴贴合度不低于9664,面积贴合度达到8000,并通过高精度模型瞬时温度场分布能够指导激光清洗CFRP表面树脂的实际工艺。     

铜合金激光烧蚀的实验观测和动力学分析

本文对高功率脉冲激光作用铜合金的烧蚀特性进行了实验观测,发现作用区域微区富银或银含量的再分布效应。测量了激光烧蚀轮廓得到物质逸出速率,并从气体动力学方程出发对物质逸出速率进行计算,获得与实验测定一致的结果。     

飞秒激光制备表面微纳结构数值模拟与实验研究北大核心CSCD

微纳米尺度的表面结构在表面工程中有着许多特殊的性能和应用,为了研究飞秒激光制备不锈钢表面微纳结构的机理,基于经典双温模型理论对飞秒激光烧蚀304不锈钢的过程进行了数值模拟计算。经过计算得到了不同激光能量密度、不同烧蚀深度处电子与晶格系统温度的演化规律,确定了飞秒激光单脉冲作用下的烧蚀阈值,通过数值模拟得到飞秒激光烧蚀不锈钢只发生在材料的表面,对内部的材料影响很小。最后使用飞秒激光微纳加工系统在不锈钢表面制备了微纳结构,多边形微孔结构保持了高质量的边缘形貌,在孔的内壁出现了周期性结构。