大角度斜面激光切割加工的工艺研究

分析了大角度斜面激光切割的可行性和激光切割加工工艺。结果表明：当激光功率为1260W，光斑直径为0.18mm,以0.08MPa的氧气作用为辅助气体，切割速度为1.4m/min,使喷嘴离工件的距离保持在0.5mm-0.8mm之间并选取适当的CNC程序直线插补步长，可以实现6mm厚的15Cr2Mo1钢大角度斜面的激光切割，切口质量良好。     

切割速度对6061铝合金薄板激光切割温度场的影响

为了揭示切割速度对6061铝合金薄板激光切割过程中温度场的分布及工艺规律，利用有限元软件对2 mm厚铝合金薄板在不同激光切割速度下的温度场进行数值模拟，并通过实验对仿真结果进行验证。仿真结果表明：当激光切割速度为80 mm/s时，工件的热影响区宽且熔深大，切缝处较宽范围内的材料均已达到熔点温度，随着切割速度增大，热影响区宽度、切缝处材料熔化量及熔深均逐渐减小。当切割速度为120 mm/s时，工件的熔深刚好达到材料的厚度。实验结果表明，当切割速度过低时，切缝处材料熔化量过多，在底部形成较厚的挂渣，随着切割速度增大切缝质量得到有效改善，但切割速度过大则会导致切缝处材料熔化量减小，粗糙度增大，切割速度为120 mm/s时，切缝质量最好。实验结果与仿真结果一致性较好，证明了仿真结果的准确性。     

不锈钢板的CO2激光切割工艺研究

实验用CO2激光切割厚0.8mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢板。研究了激光功率、辅助气体类型及压力、切割速度对切割质量的影响。实验显示提高切割速度能降低切缝宽度和切口横截面的表面粗糙度;而提高激光功率和氧气压力,切缝宽度也会随之提高,切口横截面更粗糙。功率650~700W、氧气压力0.3~0.5MPa、切割速度3.5~4.5m/min时切割质量最好。另外发现功率在780~1450W,氮气压力低于0.8MPa不能得到良好的切割质量。     

锂离子电池正负极片纳秒脉冲激光切割新工艺及特征研究

针对锂电极耳切割质量和效率不佳等难题,建立纳秒激光切割极片的模型,研究锂电池极耳纳秒脉冲激光切割新工艺及切割形貌特征,提出通过热影响、平面毛刺、端面毛刺的平均值来判断切割锂电池极耳的质量.分析不同的纳秒脉冲切割参数(如激光能量、激光波形、重复频率、切割速度等)对切割质量的影响.通过实验研究工艺参数优化,探究纳秒脉冲激光工艺参数对切缝特征的影响规律.试验结果表明,纳秒激光波形、激光频率与激光切割速度对切缝特征影响较大,当在纳秒激光功率200 W,切割速度1000～4000 mm/s时,切割铝箔、铜箔、石墨毛刺长度能达到10～30μm切割精度,实现较好的切割效果.     

锂离子电池正负极片纳秒脉冲激光切割新工艺及特征研究

针对锂电极耳切割质量和效率不佳等难题,建立纳秒激光切割极片的模型,研究锂电池极耳纳秒脉冲激光切割新工艺及切割形貌特征,提出通过热影响、平面毛刺、端面毛刺的平均值来判断切割锂电池极耳的质量.分析不同的纳秒脉冲切割参数(如激光能量、激光波形、重复频率、切割速度等)对切割质量的影响.通过实验研究工艺参数优化,探究纳秒脉冲激光工艺参数对切缝特征的影响规律.试验结果表明,纳秒激光波形、激光频率与激光切割速度对切缝特征影响较大,当在纳秒激光功率200 W,切割速度1000～4000 mm/s时,切割铝箔、铜箔、石墨毛刺长度能达到10～30μm切割精度,实现较好的切割效果.     

锂离子电池正负极片纳秒脉冲激光切割新工艺及特征研究

针对锂电极耳切割质量和效率不佳等难题,建立纳秒激光切割极片的模型,研究锂电池极耳纳秒脉冲激光切割新工艺及切割形貌特征,提出通过热影响、平面毛刺、端面毛刺的平均值来判断切割锂电池极耳的质量.分析不同的纳秒脉冲切割参数(如激光能量、激光波形、重复频率、切割速度等)对切割质量的影响.通过实验研究工艺参数优化,探究纳秒脉冲激光工艺参数对切缝特征的影响规律.试验结果表明,纳秒激光波形、激光频率与激光切割速度对切缝特征影响较大,当在纳秒激光功率200 W,切割速度1000～4000 mm/s时,切割铝箔、铜箔、石墨毛刺长度能达到10～30μm切割精度,实现较好的切割效果.     

皮秒脉冲隐形切割碳化硅晶圆实验研究

为了实现高速度切割碳化硅（SiC）晶圆,采用自行研制的高能量皮秒脉冲光纤激光器进行了隐形切割实验。依据切片的截面形貌、表面热损伤区和边缘直线度,分析了皮秒激光器的切割结果,并探究了单脉冲能量和扫描速度对切片质量的影响。结果表明,当使用中心波长为1 030 nm、重复频率为100 kHz、单脉冲能量为20μJ、脉冲宽度约为100 ps的皮秒脉冲隐形切割360μm厚度的SiC晶圆时,切片的质量能够满足实际应用要求,且激光的扫描速度可达400 mm/s,相应的切割速度为44.44 mm/s,高于其他相关报道。     

激光参数对陶瓷微孔加工质量的影响

为研究激光加工氧化铝陶瓷高质量微孔的成型工艺,采用皮秒激光自旋切割模式在0.3 mm厚的氧化铝陶瓷上加工直径为0.2 mm的微通孔。研究了激光加工参数(激光功率、离焦量、重复频率、打孔次数及扫描速度)对微孔质量的影响。试验结果表明,随着激光功率的增加,孔的入口、出口直径增大,入口、出口圆度和锥度呈现减小的趋势;随着扫描速度的降低,孔的锥度呈下降趋势;随着负离焦量的增大微孔锥度逐渐减小;重复频率的变化对微孔质量各性能指标影响不大。试验发现激光功率和离焦量是影响微孔质量主要因素。最终在功率为27 W、离焦量为-0.7 mm、扫描速度为400 mm/s、重复频率为100 kHz及打孔次数为10次时获得入口圆度为2.995μm、出口圆度为3.509μm及锥度为5.96°的高质量微孔。     

CO_2激光切割非金属材料理论模型

基于能量平衡方程,考虑高斯光束分布,建立了CO2激光切割高吸收率非金属材料的解析模型。理论分析和试验结果表明切割深度随着切割速度的减小而增加,随着激光功率的增加而增大。该模型适合12mm以下薄板切割和12~20mm较厚板的大功率(>400W)高速(>1.0m/min)切割。经过模型修正后,也可适合厚板(>20mm)切割。     

工艺参数对不锈钢薄板激光切割质量的影响

采用YAG脉冲激光切割机对1 mm厚的304不锈钢薄板进行了切割试验,通过正交试验方法,研究了激光切割工艺参数对切口表面的宏观形貌、切缝宽度和端面粗糙度的影响规律,并对激光切割工艺参数进行了优化。结果表明:随着电流增大,切口下表面挂渣量增大;随着电流、脉宽和频率的增大,切缝宽度均增大;随着脉宽的增大,端面粗糙度迅速增大,随着电流、频率和切割速度的增大,端面粗糙度先减小后增大。根据正交试验结果分析,激光切割1 mm厚的304不锈钢板的最佳工艺参数为电流120 A,脉宽0.5 ms,脉冲频率100Hz,切割速度300 mm/min。     

Numerical study on thermal stress cutting of silicon wafers using two-line laser beams

We propose a method of cleaving silicon wafers using two-line laser beams. The base principle is separating the silicon wafer using crack propagation caused by laser-induced thermal stress. Specifically, this method uses two-line laser beams parallel to the cutting line such that the movements of the laser beam along the cutting line can be omitted, which is necessary when using a point beam. To demonstrate the proposed method, 3D numerical analysis of a heat transfer and thermo-elasticity model was performed. Crack propagation was evaluated by comparing the stress intensity factor (SIF) at the crack tip with the fracture toughness of silicon, where crack propagation is assumed begin when the SIF exceeds the fracture toughness. The influences of laser power, line beam width, and distance between two laser beams were also investigated. The simulation results showed that the proposed method is appropriate for cleaving silicon wafers without any thermal damage.

     

一种基于高斯光束的平凹激光腔对准方法

给出了一种基于高斯光束的平凹激光腔对准方法。在高斯准直光束后加一透镜系统,恰当地调整准直高斯光束到某一种汇聚发散的状态。在这种状态下,可使由平凹腔凹面镜和平面镜反射回来的光斑直径大小相仿,解决了不加透镜系统时,两反射回来光斑直径相差很大,难于对准的问题,提高两光斑的对准精度。实验使用束腰为0.6 mm的氦氖光,其后加一优化好的透镜系统,在889 mm的距离下,对凹面镜曲率半径为50 mm的平凹腔进行对准。得到由凹面镜和平面镜反射回来的光斑直径分别为4.8 mm和5.1 mm,平凹腔的角度对准精度达到了3.18'。对准好的腔体在点亮LD后,均能出基模光斑。实验结果与理论分析相符,证明了该对准方法结构简单,执行方便。     

Modeling of vapor-to-melt ratio in laser cutting aluminum alloy sheet

To study the regular pattern of vapor-to-melt ratio in laser cutting sheet metal, a physical model of vapor-to-melt ratio is developed to demonstrate the material remove forms of vaporization-melt in cutting area and the state of energy and mass flow in the molten layer. Variation of vapor-to-melt ratio with laser power and cutting velocity is obtained by laser cutting of 6063 aluminum alloy sheet. The 0.5-mm sheet thickness is carried out on a JK701H Nd:YAG pulse laser cutting system by simulating under the regression correction of cut radius. Observation on the cut samples with different parameters (65 W, 85 W, 105 W varied with laser power increasing, and 2.2 mm/s, 2.0 mm/s, 1.8 mm/s with decreasing of beam cutting speed) and the calculations show that vapor-to-melt ratio increases (0.595–1.995, 0.672–2.631, 0.787–4.171) with laser power (65 W–110 W) and decreases with cutting velocity (1.8 mm/s–2.4 mm/s). At the same time, the laser cutting quality increases with vapor-to-melt ratio and the decrease with thickness of residual molten layer. The results show good agreement between vapor-to-melt ratio model and experiments. The analysis verifies that this model is feasible and it makes contribution to laser precision cutting.     

一种线宽可调的激光标线仪

详细介绍了利用柱透镜准直的激光标线原理.激光标线仪的主要性能指标之一激光线的弯曲度,对激光标线的弯曲度误差作了分析,得出了激光光源和柱透镜的位置关系是影响弯曲度主要因素.为保证圆柱透镜和投射激光束的位置关系在正透镜调整圈端部设计一个定位柱面,和镜筒内孔的圆柱面相配合,保证了正透镜调整圈和镜筒的同轴度,一般的结构是镜调整...     

VCSEL直接倍频蓝光固态激光器的研究

980 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)采用直接倍频和在复合腔中倍频两种方式实现了490 nm蓝光输出。整形采用0.23p@980nm的自聚焦透镜(GRIN lens),倍频晶体选择非线性系数相对较大、允许角相对较宽的LBO晶体。在VCSEL输出功率为530 mW时,选取透过波长为980 nm、长度为0.23 pitch的自聚焦透镜整形,倍频晶体选择2 mm×2 mm×5 mm的LBO晶体,输出了50 μW的490 nm蓝光,在增加了曲率半径R=50 mm的外腔镜后得到了70 μW的490 nm蓝光。     

A THRESHOLD MODEL FOR LASER CLEANING OF LARGER SILICON WAFERS

High cleaning quality for silicon wafers without damage is a challenge in laser cleaning technologies. Laser cleaning of Al₂O₃ micro-particles, which are the main contaminants of silicon wafer lapping and polishing solutions used in industry, from silicon wafers was studied for determining laser energy for high efficient particle removal while not causing damage to the wafers. As the cleaning force is generated from laser-energy absorption and conduction of the wafer, heat-conduction model on silicon wafer was developed during laser irradiation using a finer finite element method, from which cleaning force exerting on the particles greater than the adhesion force between the particle and the substrate, but less than the wafer damage energy of laser input was determined. Calculations of the laser energy threshold values for both particle cleaning and wafer damage were conducted for silicon wafers of 200 mm in diameter and 0.2 mm in thickness, and they were found to be about 60 mJ/cm² and 320 mJ/cm², respectively. The laser energy threshold model was finally verified experimentally using a KrF Excimer laser and found to be in good agreement with the experimental data. With the cleaning parameters from the model, the cleaning efficiency of as high as 98% has been achieved.     

高功率激光热效应对合束系统的影响

提出利用镀膜合束的方法对三路光束进行合束用于高功率红外激光合束系统设计。考虑系统中关键元件使用的红外材料ZnSe易受热效应影响,采用光机热耦合分析方法,研究了在温度边界条件固定时,各波段激光所产生的耦合热效应对各路激光波前畸变的影响,同时定性分析了系统中存在的激光偏置热效应。研究结果显示,系统中各波段的激光波前畸变均方根值(RMS)均满足设计要求(各波段波前畸变小于λ/8);激光偏置造成的波面高频成分增大了长波激光波前畸变量,但高频成分对系统波前畸变影响依然满足要求;轴向温差可在35s达到平衡,对光束波前造成主要影响的是各块镜片的面型畸变。根据分析结果搭建了实验平台,利用系统中短波400 W激光进行实验,采集了该条件下的面型并与仿真结果进行了对比,实验结果验证了该分析方法计算结果的准确性。     

射频CO2激光陶瓷基板划片机光路设计及分析

介绍了RFCO₂激光陶瓷基板划片的特点.分析了导光系统的设计原则,着重讨论了圆偏振镜和伽利略离焦望远镜的作用和特点.对导光系统进行了优化和模拟,给出了导光系统的光路图及成像质量图.试验结果和理论相符,系统划片速度可达10m/min,划缝宽度<0.1mm,划缝深度>0.3mm.利用所设计的陶瓷划片机加工的氧化铝陶瓷基片可与国外同类划片机相媲美.     

均匀光强分布的5kW半导体激光硬化光源研制

随着半导体激光自身输出功率和转换效率的提升,半导体激光已经广泛的应用于激光加工领域。本文针对目前激光加工领域对半导体激光硬化光源的需求,研制了波长为976nm的连续输出半导体激光硬化光源。该光源采用空间/偏振合束工艺达到了较高的合束效率,采用柱面微透镜阵列分割与聚焦镜复合较好地匀化了巴条激光器慢轴方向固有的光强起伏,使聚焦光斑的光强呈平顶分布。最后对该光源进行了实验装调和测试。结果表明,在工作电流为93A时,光源的最大输出功率为5 120W,电光转换效率达47%,光斑尺寸为2mm×16mm,光斑分布为平顶分布,平整度大于90%,满足工业中对大面积、高效率激光硬化的要求。