石英晶体激光切割的几点规律

本文基于石英晶体激光切割的参数模型,分析了对激光器功率、切割速度、材料厚度以及切缝宽度的相互关系,研究了石英晶体激光切割过程的基本规律,这为提高激光切割效率、保证激光切割石英晶体的加工精度奠定理论基础,同时也为激光切割石英晶体参数的选择提供了依据。     

激光材料加工的数学模型

本文从求解激光加热的热传导微分方程入手，分析了材料表面加热、熔化和汽化时温度分布的特点，还分析了激光快速加热和冷却下的组织转变模型、性能模型及激光相变硬化、激光熔敷合金化、激光焊接切割等加工方法的数学模型，介绍了在激光材料加工数学模型的研究中所得的几种主要结果。     

激光切割石英的切向裂纹研究

激光切割熔融石英材料出现裂纹的主要原因是相当大的温度梯度所产生的过大热弹性应力。本文对惯性导航用加速度计的关键部件——石英摆片激光切割过程中的切向裂纹问题进行了定量的研究，通过对切向裂纹产生的位置、切口处温度场和应力场的计算分析，给出了切向产生裂纹的评价准则，这对激光加工过程中切向裂纹控制具有极其重要的意义。     

飞秒激光切割复杂形状石英器件的试验研究

为了从石英单晶薄片上切割分离出复杂形状的器件，进行了石英单晶薄片的飞秒激光基础试验。在50、100、200 kHz高重复频率下，试验研究了烧蚀孔径与激光参数的关系，从而分析计算得到在对应重复频率下纯石英的刻蚀阈值分别为3.73、3.45、3.2 J/cm2。然后，研究了飞秒激光的脉冲能量、扫描速度等加工参数对微槽加工质量的影响。结果表明，激光脉冲能量会显著改变加工微槽的表面形貌，扫描速度控制在3.5 mm/s附近时加工效果最优。最后，利用优化的工艺参数，在厚度0.45 mm的石英晶片上切出了谐振音叉类复杂形状器件，总体上达到了预期的质量要求。     

SiCp/6061Al复合材料激光表面熔化及合金化显微组织与耐蚀性

为提高颗粒增强铝基复合材料耐蚀性，对ＳｉＣｐ／６０６１Ａｌ复合材料进行激光表面熔化和激光表面合金化。结果表明：激光表面熔化后，因熔化层中形成大量耐蚀性低的针状Ａｌ_４Ｃ_３相及Ａｌ_４ＳｉＣ相而使激光表面熔化层耐蚀性降低，以Ｎｉ－Ｃｒ－Ｂ粉末为原料对ＳｉＣｐ／６０６１Ａｌ复合材料进行激光表面合金化后，合金层耐蚀性明显提高。     

金属表面激光熔化后的表面开裂研究

本文从理论上分析了激光熔化表面的开裂原因。提出了预防激光熔化表面开裂的途径,并实验验证了可行性。     

非常规激光加工技术的研究

常规激光加工技术是利用高温使材料熔化或气化而达到加工目的,但是常导致加工区域热影响区和微裂纹的影响.着重探讨了水导激光加工过程中的激光与液束耦合原理及加工效果,分析了体加热激光切割玻璃过程中的温度场和应力场,以及曲线切割和多层玻璃激光切割技术.针对两种非常规激光加工技术--水导激光加工和体加热激光切割玻璃技术,进行了理...     

晶体玻璃三维打孔获得成功

日本丰桥技术科学大学的池野顺一教授等完成了目前被认为是不可能的晶体玻璃三维激光打孔实验,并获得成功.晶体玻璃常被用作硬盘基板等精密部件,由于经常发生裂纹,很难加工.研究人员从分析玻璃的损坏机理着手,发现被激光损坏的玻璃,其内部形成熔融部分,以此熔融部分为中心,裂痕向外延展.据分析,这是由于激光照射了的表面,经大气被冷却,故熔化从其内部开始,由于膨胀力的缘故,使玻璃受损.对此,研究人员将很好地吸收激光的合成墨水染料涂在玻璃表面进行加工.结果,熔化的玻璃从玻璃表面飞散,一个脉冲的光照射,可形成深410μm、直径200μm的加工穴,若反复照射激光,可形成圆锥状的加工孔.在加工孔端部的熔化层残留着大量易吸收激光的铝化合物,可以发挥与染料相同的作用.因此,若以某个能量密度照射激光,则透过玻璃坯料,可实现只对加工孔的尖端部进行加工的三维打孔技术.经过实验,每90°改变一次照射方向,成功地实现了锯齿状微孔加工.(No.20)     

石英玻璃薄板激光精密切割技术

为了实现石英玻璃薄板的激光精密切割,对石英玻璃薄板激光切割原理进行了探讨,提出了依照材料光学透过率特性来选择激光切割用激光源的方法.通过对材料光学透过率的特性分析可以得知,用来切割石英玻璃的激光源波长应在5μm～20μm范围内.对石英玻璃薄板的激光精密切割进行了实验验证,实验结果表明,激光精密切割技术能够较好地运用于石英玻璃薄板的精密切割加工中,其加工精度优于20μm、中心对称度小于μm.这一结果和激光源选择方法对石英材料激光精密加工技术研究及其设备研制是有帮助的.     

激光参量对血管支架切缝形貌及粗糙度的影响

为了研究激光加工工艺参量对血管支架切缝形貌以及表面粗糙度的影响，采用不同参量对比分析试验法，开展了心血管支架316L材料光纤激光切割实验，分析了激光脉冲宽度、激光功率和切割速率等不同工艺参量对材料切缝形貌及粗糙度的影响，得出激光切割支架的最佳工艺参量组合。结果表明，不同区域切缝形貌和表面粗糙度存在差异性，其中支架切缝的汽化区厚度主要受脉冲宽度及激光功率影响，当脉冲宽度为35μs时，支架切缝汽化区厚度最大可达到120μm；支架切缝汽化区粗糙度随切割速率增加先减小后增大，当切割速率为6mm/s时，切缝表面粗糙度值最低为650nm。此研究结果为心血管支架光纤加工的研究及后续光整加工奠定了理论基础。     

熔融石英基片热形变及其对光束质量的影响分析

熔融石英基片受高能激光辐照后，受热产生的热形变会恶化系统出射的光束质量。为了研究光束质量的恶化情况，采用COMSOL有限元分析软件，建立了在连续高能激光辐照下熔融石英基片热形变分析模型，并针对基片在不同的夹持方式下的热形变进行了比较分析，得到了基片受热后的温度分布和形变分布情况，并利用VirtualLab软件定量分析了熔融石英基片热形变对光束质量的影响。结果表明，采用四周固定的方式，热形变量是最小的；基片的热形变会对光束质量造成影响，激光辐照时间越长，热形变量越大，对光束质量影响越大；当基片被激光辐照20s后，采用夹板固定的基片最大形变量达到415.90nm，光束质量因子M_x2由1.0036恶化至1.4571；采用四周固定的基片最大形变量达到98.38nm，光束质量因子M_x2由1.0036恶化至1.0064。这一结果对后续激光合束系统搭建以及光束质量优化有重要的指导意义。     

激光切割中入射角对切割质量的影响

研究了激光入射角对薄板切割质量的影响 ,结果表明 ,在一定条件下 ,激光束不垂直工件表面时 ,仍可以获得切缝细、挂渣少的切割效果。同时切割头的运动方向在激光束不垂直于被加工表面时 ,对切割质量也有显著影响。给出了在三维激光切割时 ,由于干涉等原因无法保证激光束垂直入射时 ,为得到好的切割质量应采取的措施     

利用晶体拼接实现大口径会聚光束三倍频

惯性约束聚变激光驱动器中,熔石英透镜的紫外激光损伤问题一直是限制其负载能力提升的重要因素。对此提出了一种新的大口径光束三倍频构型方案,将三倍频晶体置于聚焦透镜之后,在基频光和倍频光的会聚过程中实现和频。大口径会聚光束的入射角度达36.35 mrad,为满足相位匹配条件,三倍频晶体采用相位匹配接受角度更大、损伤阈值更高的LBO晶体。理论分析表明,3块切割角度不同的LBO晶体拼接即可满足会聚光束相位匹配容忍角的要求。原理性实验也验证了该方案的可行性。该构型不仅能规避熔石英透镜的紫外激光辐照,提升激光驱动器的负载能力,而且能突破LBO晶体的口径受限问题。     

拉盖尔-高斯光束作用下熔石英温度及应力研究

为了研究拉盖尔-高斯光束与熔石英相互作用,采用仿真计算的方法对TEM₀₀,TEM₀₁和TEM₁₀ 3种模式拉盖尔-高斯光束辐照下的熔石英的温度和热应力进行研究,取得了仿真数据。结果表明,激光光强的空间分布影响材料的温度分布和应力分布;温度的积累效应明显,经过连续激光脉冲作用后材料温度持续升高,焦点区域超过1900℃;温度梯度导致热应力产生,局部热应力接近50MPa。该仿真结果为熔石英的加工提供了有益的参考。     

基于非球面镜像差效应的长焦深高斯光束均匀化光学系统设计

近红外高斯激光束在强激光与材料相互作用、激光清洗、激光燃烧诊断等热点研究领域中发挥着重要的作用。然而,高斯光束能量分布的不均匀性阻碍了这些领域的深入发展。为提高工作效率和测量精度,实际应用中往往期望光束能量在较大工作距离内呈均匀分布,但现有光束整形方法无法同时满足长焦深和高激光耐受功率要求。为此,本文基于非球面像差效应提出并设计了一种新型长焦深高斯激光束均匀化光学系统,系统由非球面光束均匀化系统和球面长焦准直系统两部分组成,所有透镜均采用熔融石英并在其表面镀有增透膜,能够实现99.9%的光学系统传输效率。系统工作波段为1064 nm,工作距离为1000 mm,系统总长为135.2 mm,耐受激光功率不小于300 W。设计结果表明:整形后的平顶高斯光束有效焦深为±100 mm,光束均匀性≥95%,会聚角为17.52 mrad,能够满足上述应用场景的实际需求。本文设计的光束整形系统相比于其他激光光束均匀化系统,具有结构简单、易于加工、成本低、焦深长、耐受激光功率高、光束均匀化效果好的特点。     

微区熔化法激光切削

提出一种应用激光切削加工的新途径:将激光束会聚成光带,用以加热、熔化余量和零件分界面的微区,周时用工具剥离已分离的切屑,分析和初步试验证明了这种激光切削方法的可行性。其切削力小,刀具磨损小,激光能量使用经济。     

腐蚀石英光栅为分光元件的激光照明系统研究

利用腐蚀法制作的石英光栅作为分光元件.将其应用拓展到激光景观工程领域中,产生了全新的激光景观效果.给出了一种适用于室外复杂环境用于激光景观照明系统中的光栅分光原理、制作工艺过程等,发展了采用光栅分光元件产生多种不同激光景观照明效果的控制系统,并与利用高速扫描振镜实现的激光照明系统的景观效果进行了比较.