飞秒激光烧蚀齿面表层构态分析及其控制研究

为了分析飞秒激光烧蚀面齿轮齿面表层构成及其形态影响,本文针对面齿轮材料18Cr2Ni4WA,通过建立双温传热模型,模型采用向后有限差分法进行飞秒激光烧蚀数值模拟,研究飞秒激光烧蚀齿面的加工过程,分析能量密度对重铸层和热影响层的影响规律。结果显示:能量密度由173J/cm2增加至433J/cm2,重铸层厚度从068μm增加到102μm,热影响层厚度从096μm增加到135μm。针对重铸层的控制,本文实施了对面齿轮齿面的二次加工,实验结果表明:采用能量密度173J/cm2对齿面进行二次加工,加工后的齿面几乎没有重铸物残留,齿面平均粗糙度由0365μm降到了0185μm,有效地改善了面齿轮的加工质量,为提高飞秒激光精微烧蚀面齿轮精度提供了有益参考。     

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。     

飞秒激光掩模版加工中的精度控制方法

飞秒激光掩模版加工和修复是近几年来微纳加工领域的研究热点之一,其中精度控制是获得高质量掩模版的关键.在飞秒激光脉冲对铬金属膜和石英基底材料破坏特性的理论基础上,利用一套输出脉宽25fs、最大功率1 W、中心波长800 nm、重复频率1 kHz的飞秒脉冲激光系统,实验研究了掩模特征单元尺寸与激光能量密度、扫描速度的关系,通过参数优化实现了最小特征尺寸为290 nm的掩模版加工;探讨了特征单元的边缘形貌和底部形貌受能量密度与扫描次数的影响规律,提出了加工参数的选取原则,最终实现了飞秒激光掩模版加工的精度控制和优化.     

基于复耦合模型的面齿轮飞秒激光加工参数影响研究

分析了飞秒激光精微加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA的机理,在光子与电子,电子与晶格之间温度传递的双温模型的基础上建立了耦合动态热力学参数的复耦合模型,通过模型仿真分析,得出了电子与晶格的温度变化过程,预测了去除高于蒸发温度的材料烧蚀形貌。对面齿轮材料进行飞秒激光扫描加工实验,得出随着能量密度的增大,凹坑半径和深度都会有一定程度的增大,当能量密度为1.98 J/cm²时,烧蚀形貌较好,当能量密度继续增大达到2.18 J/cm²时,凹坑内部开始产生少量的熔融物堆积;随着脉宽的增大,形貌变化不大,但产生的熔融物逐渐减少,凹坑趋于平整;随着扫描速度的增大,沟槽的深度逐渐减小,宽度逐渐增大。采用三维超景深仪观测烧蚀形貌,实验结果与仿真结果基本一致,为飞秒激光精微加工面齿轮提供了依据。     

飞秒激光加工过程中光学参数对加工的影响

分析了国际上飞秒激光同材料相互作用的实验研究,介绍了飞秒激光加工过程中,各个光参数对加工质量和加工尺寸的影响,针对光参数在飞秒激光加工过程中产生的影响做出了分析。     

基于OCDR的飞秒激光直写光波导微结构在线监测

飞秒激光直写技术具有无掩模、真三维、高精度等优点，在透明介质光波导器件立体加工中具有很好的应用前景。然而，实际加工中需根据目标材料的特性反复探索和优化加工参数，过程繁琐且复杂。提出了一种基于光相干域反射仪（OCDR）在线监测飞秒激光在已有波导中直写加工微结构或器件的新技术，以光纤波导为例研究了激光脉冲能量、脉冲频率及直写速率对加工结构回波反射特性的影响，并分析了反射特性与加工工艺参数的对应关系。研究结果表明：通过OCDR反射曲线突变点能够快速准确地确定引起材料性质改变的激光能量和脉冲频率的阈值条件，且根据曲线变化趋势和反射峰特点可判断材料性质改变类型；此外，通过分布式测量激光直写反射曲线，可获得加工速率对加工效果的影响规律。该技术为波导内飞秒激光直写微结构或器件工艺参数的摸索提供了一种非破坏、高效、在线的解决方案。     

等离子体冲击波效应对飞秒激光烧蚀面齿轮形貌的影响研究

利用烧蚀阈值理论，研究飞秒激光对面齿轮的烧蚀特征，得到了面齿轮的烧蚀阈值。建立烧蚀模型，计算仿真了飞秒激光在单脉冲与多脉冲烧蚀过程中的理论宽度与深度。利用等离子体冲击波传播半径随时间变化的规律，耦合飞秒激光多脉冲烧蚀时的表面残余温度变化，得到等离子体冲击波的动态反冲压力机理图，并得到飞秒激光加工过程中，等离子体冲击波动态反冲压力对烧蚀的凹坑形貌以及扫描隧道与烧蚀平面形貌变化的影响。通过试验验证飞秒激光对面齿轮进行隧道扫描时，随着扫描速度的增加，隧道的直线度降低。高功率条件下，增加相邻扫描道扫描间距，烧蚀后的齿面精度更高。     

飞秒激光双光子聚合加工微纳结构

针对微/纳机电系统（MEMS/NEMS）零部件加工制造难题,研究具有亚衍射极限空间分辨率的飞秒激光双光子聚合加工方法,搭建钛蓝宝石飞秒激光微纳加工系统,对液态聚合物材料进行飞秒激光双光子聚合加工工艺试验研究。结果表明:随着激光功率的降低,单个固化点的尺寸减小,加工分辨率提高;扫描步距减小,所加工工件的表面粗糙度数值减小,但加工效率降低。基于CAD软件设计出微米墙和纳米线构成的三维微纳结构,利用飞秒激光双光子聚合加工得到该三维微纳结构实物,通过优化工艺参数加工出直径小于100 nm的纳米线,从而证明飞秒激光双光子聚合加工方法为微/纳器件的制造提供了一种有效方法。     

飞秒激光加工SiC模型参数优化设计研究

开展飞秒激光与SiC相互作用机理研究,探索飞秒激光加工SiC材料的作用机理与激光功率密度阈值、脉冲宽度、频率、重叠率等参数的相互影响,这其中增加了在激光脉冲宽度范围内由于多种因素的影响,导致自由电子密度减少的因素;考虑了飞秒激光光束在被加工材料传输过程中由于被加工材料表面反射而造成的损失量,以及由于激光束电离后光电子与晶格发生碰撞而“反射、散射”造成的能量损失,从而对现有作用机理进行理论模型优化,通过比较研究和实验验证自由电子密度,为飞秒加工过程中激光与材料相互作用研究提供分析和参考。     

飞秒激光加工聚苯乙烯中的缺陷形成原因

飞秒激光加工是一种高精度加工手段,加工中形成的缺陷对其适用性具有重要的影响。本文开展了聚苯乙烯飞秒激光加工试验,研究了聚苯乙烯在飞秒激光加工过程中的缺陷形成机理,以及光强、速度和环境等加工参数对此类缺陷形成的影响,最后得出了对材料形貌影响最小的加工条件。本研究对于指导聚苯乙烯的飞秒激光加工具有重要的意义。     

飞秒激光微加工中光斑横向超分辨研究

飞秒激光微加工中焦点光斑横向光场的分布直接影响到激光微加工的精度、分辨率和表面粗糙度等。利用激光束空间整形技术对激光束聚焦光斑进行调制,基于横向超衍射理论和优化算法进行了研究和分析,完成了一种0-结构四环横向相位板的设计。该相位板归一化半径为r1=0.16、r2=0.27、r3=0.49,获得的峰值能量S、焦斑尺寸GT、旁瓣能量MT分别为0.38、0.74、0.20。并且基于该相位板在激光微加工系统中进行了一种光致变色材料的相位板加入前后的对比加工实验,实验结果表明,在飞秒激光微加工系统中使用这种相位板可以有效地减小加工点的尺寸大小。     

飞秒激光在6H-SiC表面诱导偏振依赖纳米结构特性研究

激光诱导偏振依赖纳米结构是一种有效实现纳米图案化的技术,并且一直备受研究者的青睐。利用飞秒激光微加工技术,对6H-SiC晶体表面激光诱导偏振依赖纳米结构特性进行了研究。通过改变入射激光加工偏振态和延迟时间样品表面诱导产生了直径约为150 nm的球形纳米颗粒、椭圆形纳米颗粒和空间周期约为150 nm的高空间频率表面条纹结构。实验结果表明,入射激光偏振特性会直接影响诱导产生的微结构形貌,并且优先入射的飞秒激光对最终产生的表面微结构形貌有决定性作用。初步探讨了偏振依赖纳米结构形成的物理机制,表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)在表面微纳米结构的产生过程中扮演着重要角色,研究结果对激光诱导表面周期结构(laser-induced periodic surface structures, LIPSS)可控制备具有重要意义。     

飞秒激光烧蚀金属镍热影响区的数值模拟

为了定量分析飞秒激光金属加工中的热影响,基于一个二维的双温模型,采用有限差分法计算了飞秒激光烧蚀金属镍的径向热影响区.提出一种飞秒激光烧蚀热影响区定义,把热影响区定义为两部分,一部分是熔化再凝固区(晶格温度介于相爆炸温度和熔化温度之间的区域),另一部分是热激活区(晶格温度介于熔化温度和热激活温度之间的区域).通过研究表层晶格不同时刻的径向温度分布,得到飞秒激光烧蚀500nm厚金属镍的径向热影响区是160nm.结果表明,飞秒激光加工的热影响区非常小,可以实现对金属材料的超精密加工.并分析了电子热导率和电子比热容对径向热影响区的影响.     

计算机控制磁流变抛光软件去除算法设计

根据计算机控制磁流变抛光的去除机理,分析了抛光工艺软件的去除算法核心问题即求解驻留时间函数和加工路径设计。采用简森-范锡图特法对驻留时间函数进行迭代求解,同时优化设计工艺软件的加工路径算法,开展工艺软件全过程模块化、流程化设计,完成工艺软件的代码集成测试。最后,通过工艺软件控制磁流变抛光330mm×330mm石英平面反射镜实验,验证去除算法控制抛光过程的有效性及准确性,实验值与理论值吻合良好,从而证实工艺软件去除算法能够准确、有效地指导大口径光学元件的磁流变加工。     

6061铝水导激光加工工艺参数优化研究

为研究水导激光加工关键工艺参数对6061铝切槽形状与组织性能的影响,利用自研的水导激光加工设备,对6061铝开展了包括激光功率、激光重复频率、进给速度及加工次数在内的多个关键工艺参数的多因素影响切槽实验.利用金相显微镜对加工沟槽的深宽比、侧壁锥度及组织变化情况进行了测量与分析.实验结果表明:激光重复频率对沟槽宽度有较明...     

飞秒激光刻划铌酸锂实现极化反转的实验研究

采用飞秒激光加工制作周期性极化铌酸锂（PPLN）。实验中利用飞秒激光加工机的高精密加工的特性，在晶体＋Z面刻划出周期性条纹，条纹周期以及深宽比可调，并加均匀的高压电场，通过改变晶体表面形状来影响晶体内部电场分布。实验观察到沿飞秒激光刻划方向有明显的极化现象，以及加工参量对极化反转的影响。该方案比纳秒激光刻划精度高，影响区小，可以做到更高深宽比且保持刻槽规则的形状。直接用激光刻划，无需掩模和光刻工艺．具有较大的灵活性，作为改进制作周期性极化铌酸锂的可选方案，更适合做各种新型器件。     

基于多元正态分布的飞秒激光烧蚀光斑质心提取

飞秒激光在加工单晶硅过程中伴随着等离子体衍生发光现象,并以激光光斑形式表现出来,激光烧蚀效果受激光脉冲能量、光学设置、材料特性、环境参数等因素的影响,参数的选择是实现理想加工的关键,由此引入光斑质心的提取,研究光斑的变化规律以提高加工精度的目的。常用的质心提取算法有灰度质心法、高斯曲面拟合法等,但由于受到噪声的影响,光斑的灰度峰值可能发生偏差,提取的质心同真实质心相比误差较大,由此引入多元正态分布,在多个方向拟合高斯曲面,通过极大似然法估计质心,在精度方面得到了很大的改善。     

激光加工参数对球形频率选择表面质量的影响

通过运用激光加工的方法在三维半球壳表面加工孔径十字环形频率选择单元,探讨激光加工相比其他加工手段的优势和不同激光加工工艺参数对十字环形频率选择单元加工质量的影响。对球形曲面频率选择单元加工工艺方法进行分析,介绍激光加工中出现的加工缺陷,并根据缺陷的特点提出参数化表征量;对实验件进行单因素参数试验,分析标刻单元加工质量变化规律并找到合理参数范围;最后,根据合理参数范围做参数化试验,探讨加工质量的改进效果。实验结果表明：振镜式激光加工速度相较于普通数控加工系统提高了15倍左右,加工缺陷占比可控制在5%以内。     

连续偏光干涉法测量波片宽波段延迟量变化

为了测量石英波片宽光谱下相位延迟量,根据连续偏光干涉原理,提出了一种新的测量方法,并给出了相应波长的延迟量数据处理办法。采用岛津UV-3101PC分光光度计双光路比对测量方法,增加了采集数据的稳定可靠性,获得了已知厚度的石英波片300nm~800nm波段的连续偏光干涉谱,进行了理论分析和实验验证,获得了波片的宽光谱相位延迟量数据。结果表明,实验曲线和理论曲线吻合较好,测量平均误差不大于2°。这一结果对研究波片延迟量色散性质以及工艺进程的引导有重要实际意义。