飞秒激光烧蚀面齿轮材料的形貌特征研究

飞秒激光加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA是一种面齿轮精微修正的新型加工技术。首先,根据烧蚀凹坑的直径和激光功率的定量关系得到激光的烧蚀阈值,根据烧蚀凹坑的深度和激光功率的定量关系得到材料的吸收系数。然后,考虑到能量累积效应,从高斯激光的聚焦方式考虑变离焦量效应,建立材料内部的能量吸收模型。最后,通过改变脉冲数和激光功率,研究飞秒激光烧蚀凹坑直径和深度的变化规律。实验结果表明,脉冲频率为200 kHz的飞秒激光脉冲数大于20时,烧蚀凹坑的直径和深度趋于稳定,这与理论结果相吻合。随着激光功率的增大,飞秒激光的加工质量有明显下降,当激光功率为1 W时,飞秒激光的加工质量良好且烧蚀深度足够深。     

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。     

飞秒激光烧蚀面齿轮的等离子体冲击波效应影响研究

针对面齿轮材料18Cr2Ni4WA在飞秒激光精微加工过程中产生的等离子体冲击波效应,建立了等离子体冲击波传播的压强方程、精微加工材料的波阵面温度模型。以脉宽、能量与离焦量作为变化参数,得到了冲击波传播半径随温度与压强的变化规律。试验验证了飞秒激光脉宽在300、500、800 fs时,单脉冲激光能量保持在15～25μJ,此时熔融层光滑平整,具有较好的烧蚀效果。相同脉宽下,过高的能量导致熔化材料过多,凹坑深度加深以致于排出效果降低,在凹坑壁形成高低不平的波峰。使用较高能量参数对材料进行变离焦量烧蚀时,随着正离焦量增大,边缘热影响区域增大。同时,等离子体冲击波对液态材料的排出效果由于离焦变化而降低。验证了等离子体冲击波效应模型,达到了实际烧蚀效果。     

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。     

飞秒激光烧蚀研究进展

介绍飞秒激光烧蚀材料的机理论模型，阐述飞秒激光烧蚀的特性，揭示飞秒激光烧蚀的广泛应用前景。     

飞秒激光加工镍钛合金的烧蚀阈值实验研究

利用飞秒激光微加工系统对镍钛合金的烧蚀阈值进行理论和试验研究.设计了不同功率和扫描速度下的镍钛合金多脉冲累积烧蚀实验,应用扫描电子显微镜观测并分析试件烧蚀区域的形貌特征,计算得到了不同扫描速度下的烧蚀阈值分别为2.02、2.40、3.04、5.46、15.44 J/cm2.然后分析了多脉冲的累计效应对镍钛合金烧蚀阈值的...     

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。     

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。     

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。     

基于光斑图像特征的飞秒激光烧蚀功率分类模型研究

针对光晕导致的光斑图像边缘模糊的特点,采用Niblack局部阈值分割得到光斑目标区域,并提取光斑的几何特征;以Niblack分割得到的图像边缘对原始光斑图像进行裁剪,得到去除光晕影响的光斑目标灰度图像,在此基础上提取该区域光斑图像亮度,结合光斑几何特征构造6维特征矩阵。分别采用BP神经网络、线性局部切空间排列LLTSA-BP网络、局部保持投影LPP-BP模型对烧蚀功率进行识别;进一步采用极限学习机(ELM-Extreme Learning Machine)、LLTSA-ELM和LPP-ELM降维模型,基于降维后的特征矩阵进行烧蚀功率分类。对比研究发现BP神经网络在对6维特征矩阵分类时收敛时间比ELM分类模型短,所需隐含层神经元个数少。而流形学习-ELM模型则在对降维之后的数据分类时表现较优,所需时间远远小于BP神经网络模型的处理时间,其中LPP-ELM模型对光斑的分类效果最优。     

双温方程用于飞秒激光烧蚀金属的模拟分析

讨论了双温模型在不同近似下的电子热传导率对于模拟飞秒激光烧蚀金属过程中靶材的电子温度和晶格温度分布的影响,用有限差分法对飞秒激光脉冲烧蚀金属靶的过程的温度场进行了一维数值计算,以铜靶为例给出了靶材电子与晶格温度分布随时间和深度的演化规律并进行了分析,结果表明不同近似下电子热传导率对于模拟温度分布计算结果有着重要的影响。     

飞秒激光烧蚀长周期光纤光栅的高温特性研究

为了探索包层去除型长周期光纤光栅的高温传感特性,利用中心波长为800 nm,脉冲宽度为120 fs的飞秒激光烧蚀直写而成并对其进行高温传感检测。首先,通过两块轴线互相垂直的柱透镜将入射激光聚焦成细长焦线,并借助垂直方向CCD成像系统精确定位光纤与焦点的相对位置;然后,通过激光器内嵌shutter与运动平台的耦合控制,实现光纤光栅的精确去除加工;最后,将写制的光纤光栅置于800℃的高温炉中放置2 h。利用高温管式电热炉对所加工光纤光栅在30~1100℃内进行温度传感测试,发现其在30~300℃内谐振波长的温度灵敏度为51 pm/℃,线性度为0.956;但在高温段300~1100℃内,其温度灵敏度达到了135pm/℃,线性度高达0.999。实验结果表明,这种通过包层表面定量去除的长周期光纤光栅更适用于高温及超高温环境的传感检测。     

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。     

飞秒激光流动烧蚀制备ZnSe有机复合量子点

采用飞秒激光流动烧蚀法制备了聚乙烯亚胺(PEI)包覆的ZnSe量子点水相分散液。水相分散液外观呈现亮黄色透明液体状。多个ZnSe有机复合量子点在水中聚集形成球形胶束,通过扫描电子显微镜(SEM)检测发现,胶束粒径为40~100 nm。利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和X射线衍射(XRD)研究ZnSe晶体学特性变化,结果表明制得的ZnSe量子点保持了块体ZnSe的立方闪锌矿晶型。该ZnSe有机复合量子点的水分散液在365 nm紫外光照射下显示出明亮的绿色荧光,荧光中心波长约在500 nm处。采用光致发光光谱和紫外可见吸收光谱研究了该有机复合量子点的pH值响应特性,结果表明随着分散液中pH值由9降低到4,光致发光光谱显示出蓝移特性,波长最大蓝移量为25 nm。讨论了绿色荧光的来源与荧光波长调谐的可能机理。     

球端面光纤耦合界面烧蚀现象的实验研究

本文提出大功率半导体激光器(LD)对光纤耦合界面的烧蚀的理论假设,得出系统耦合效率随时间的变化关系为ηt=η0t-αβmsk=η0t-αβρ。制作出三种不同直径的光纤端面小球,并对其防烧蚀性能进行了实验研究。实验证明激光器对光纤的烧蚀主要集中在粘接剂区,且大直径的球端面光纤能有效的减小烧蚀对系统耦合效率的影响。从而证明了公式的正确性。     

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。