激光切割CVD金刚石厚膜的工艺研究

本文利用Nd:YAG激光器对0.4mm厚的CVD金刚石膜进行切割,用扫描电子显微镜(SEM)研究了激光脉冲能量、脉冲宽度和脉冲频率等工艺参数对金刚石厚膜切割的影响。研究结果表明,在脉冲电流高于200A和减小脉冲电流至150A、脉冲宽度为2ms时能一次性切透金刚石厚膜但切割断面存在许多微裂纹和缺陷。增大脉冲频率有利于提高切割断面的平整度;采用二次切割比一次切割可得到更为平整的切割断面,断面粗糙度Ra可达到1μm。     

激光冲击强化对TiAl合金组织和性能的影响

为研究激光冲击强化对TiAl合金组织和性能的影响,利用波长为1 064nm、脉宽为20ns、单脉冲能量为0～22J的Nd:YAG激光器对TiAl合金试件进行了实验研究。采用显微硬度计、表面粗糙度仪和扫描电镜分别测量了激光冲击强化前后的表面显微硬度、粗糙度和表面微观形貌,利用X射线应力分析仪测量了激光冲击强化表面残余应力和晶面极性,并分析了其高温稳定性。实验结果表明:当单脉冲能量增加到9J时,表面显微硬度增加了33.4%,粗糙度由0.042μm增大到了0.285μm,表面残余压应力由20MPa增加到了297MPa,表面微观形貌出现了凸凹不平,局部纹理和层状微结构。将9J激光冲击强化后的试件在650℃下保温4h后,残余压应力值从297MPa降到230MPa,显微硬度值从377HV0.2降到345HV0.2,(002)晶面取向有向中心移回的趋势。得到的数据显示,激光冲击强化能够极大地改善TiAl合金的组织和性能,且具有一定的高温稳定性。     

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。     

CVD金刚石微铣刀的复合加工工艺研究

CVD金刚石具有高的硬度和耐磨性,是制备微铣刀的理想材料。传统的磨削加工制备CVD金刚石微铣刀存在加工效率低的问题。本文提出了一种以激光诱导金刚石石墨化与精密磨削相结合的复合加工工艺来制备CVD金刚石微铣刀的新方法。研究了激光参数对金刚石相变深度和分界线轮廓最大高度的影响,进一步分析了分界线轮廓最大高度对切削刃质量的影响。结果表明,随着单脉冲能量的增加,金刚石相变深度和分界线轮廓最大高度都增大;随着扫描速度的增加,二者都减小,并且减小分界线轮廓最大高度能够提高磨削后切削刃的质量。为了提高制备效率,提出了一种由粗加工和精加工结合的解决方案。通过使用优化后的加工参数,制备出切削刃钝圆半径2.3μm,刀尖圆弧半径3μm的CVD金刚石微铣刀。     

光学玻璃的激光微结构化砂轮精密磨削

为了降低大磨粒金刚石砂轮磨削光学玻璃时的亚表层损伤,利用纳秒脉冲激光对金刚石砂轮进行了表面微结构化加工,并采用该砂轮研究了光学玻璃的精密磨削加工。首先,计算了金刚石磨粒在纳秒脉冲激光辐射下的烧蚀阈值和激光束腰半径;然后,分析了纳秒脉冲激光在金刚石磨粒上加工的微结构形貌以及微结构化过程中的热损伤;最后,采用微结构化大磨粒金刚石砂轮进行光学玻璃的磨削实验,并分析了亚表层的损伤情况。实验结果表明:金刚石磨粒在纳秒脉冲激光辐射下的烧蚀阈值为0.89J/cm,激光束腰半径为17.16μm。在粒度为150μm的大磨粒电镀金刚石砂轮上可以实现结构尺寸为20μm的微结构表面加工。与传统金刚石砂轮相比,微结构化砂轮磨削后的光学玻璃亚表层损伤深度降低了40%,达到了降低光学玻璃磨削亚表层损伤的目的。     

水射流引导激光制造Inconel 718合金沟槽结构的研究

为了探究水射流引导激光(WJGL)技术在Inconel 718合金上制造沟槽结构的规律特征,在自行研发的水导激光设备上设计并进行了多组单因素实验,分析了水射流速度和激光能量密度对沟槽结构的深度、宽度以及毛刺尺寸的影响规律。实验结果表明,激光能量密度对沟槽结构尺寸的影响程度要高于水射流速度,在喷嘴孔径固定不变的条件下,激光能量密度和水射流速度对沟槽结构宽度的影响很小。采用孔径为0.5 mm的喷嘴,当水射流速度固定为60 m/s,激光功率密度为40 J/cm²时,获得最大沟槽平均深度为523μm;当激光能量密度为10 J/cm²时,获得最窄沟槽平均宽度为403μm;当激光能量密度为40 J/cm²时,获得最小毛刺平均尺寸为54μm。根据理论分析得出,水导激光技术去除Inconel 718合金的机制是通过激光烧蚀并熔化材料,水射流将熔融物冲刷去除。     

环形激光诱导空化泡的数值仿真分析

激光诱导前向转移技术是一种有效的物质传输手段,但在单细胞传送时,存在传送精度低等问题.提出将环形空化泡运用在激光诱导前向转移技术上,进而解决物质传送精度差的问题.利用有限元数值仿真分析方法,探究环形激光诱导环形空化泡的生长溃灭过程.并对其流场中不同方向的速度场进行了分析,发现了环形空化泡膨胀初期对环外部溶液的推动阻隔效应和溃灭后的能量中心汇聚效应均可运用在物质的精确转移技术中.基于响应曲面法,探究激光能量、环形光斑内外径比值、海藻酸钠溶液质量分数对环形空化泡水平和垂直方向最大速率的影响强弱顺序,得出各因素对最大速率的影响强弱顺序由大到小依次为:环形光斑内外径比值、海藻酸钠溶液质量分数、激光能量.其水平和垂直方向最大速率在环形光斑内外径比值为0.7(70μm/100μm)、激光能量60μJ、溶液质量分数为1％时达到最佳值,分别为14.28 m/s和11.82 m/s.     

激光诱导前向传送中的热分析

针对激光诱导前向传送中牺牲层的热破坏,利用双温方程模型对激光与钛层的电子-晶格系统的作用过程进行分析,结合热传导方程模拟了钛层的纵向温度传递,获得了钛层的温度场。模拟发现激光脉冲能量,光斑直径决定了激光光斑的能量密度,纳米钛层的厚度决定了激光的透光率,三者共同影响钛层最终温度。当脉冲能量为7μJ ,光斑直径为40μm ,钛层厚度为80 nm时,数值计算的微孔尺寸为11.5μm ,与实验的11.77μm基本吻合,说明该数值模型可靠,可用于预测激光诱导前向传送中钛层的破坏。     

超微粒金刚石和富勒烯研具创建超平滑表面的研究

制备了超微粒金刚石和富勒烯研磨工具,并分别进行了硅片研磨试验,详细分析了两种材料的研磨特性如表面粗糙度的稳定性、磨料粒度对研磨效果的影响以及研磨材料的显微结构等。试验结果表明,使用0~1/8μm粒度的金刚石研具获得的表面粗糙度值大于使用0~1/4μm粒度金刚石研具的表面粗糙度值,这是因为磨粒被粘结剂覆盖所致。研究结果表明,采用富勒烯研具研磨硅片可获得Ra5nm的超平滑镜面。     

飞秒激光烧蚀不锈钢的实验研究

进行了飞秒激光烧蚀不锈钢(SUS420)的工艺实验研究。采用波长为780nm,脉宽为164fs,频率为1k Hz的飞秒激光照射不锈钢。对比分析了长短脉冲激光烧蚀不锈钢的作用过程,计算了单脉冲飞秒激光烧蚀不锈钢的烧蚀阈值和烧蚀阈值随脉冲数量改变的累计系数,研究了不同激光参数烧蚀不锈钢的工艺规律。结果表明:飞秒激光烧蚀金属材料的过程中对加工区域周围具有较小的热影响;单脉冲飞秒激光烧蚀不锈钢的烧蚀阈值为0.25J/cm2,烧蚀阈值随脉冲数量改变的累计系数为0.68;飞秒激光脉冲能量对烧蚀孔孔径的增加比较明显,脉冲数量对烧蚀孔孔深的增加比较显著。     

内置标准具光栅腔XeF(C-A)准分子激光器的线宽压缩

为了避免阳光背景干扰,针对XeF(C-A)蓝绿激光水下应用需求开展了激光线宽压缩实验以提高信噪比。采用内置标准具的光栅谐振腔开展相关实验。利用光栅腔实现亚纳米级的激光线宽输出,然后在此基础上,通过插入标准具进行更精细的激光线宽压缩实验。利用光栅腔,采用1 200线/mm光栅并提高光栅辐照面积可以实现0.14nm的激光线宽输出。腔内插入反射率为50%的标准具,可以进一步将激光线宽压缩至39pm,激光单脉冲能量约为65mJ,脉冲宽度为1μs。实验结果表明:尽管XeF(C-A)蓝绿激光器的增益系数较低,但是通过优化光栅和标准具的工作参数,对谐振腔光学损耗进行合理的控制,激光器可以实现10pm量级的激光线宽输出。     

射频磁控溅射法制备类金刚石薄膜的研究

采用射频磁控溅射法,纯Ar溅射石墨靶,制备出了类金刚石薄膜,并对薄膜沉积速率随各工艺参数的变化规律、薄膜结构以及光学性能进行了系统的研究。结果表明,沉积速率随射频功率、CH4流量和溅射气压的增大而增大;随温度的增大呈现先增大后小的趋势。结构分析发现,所制备的DLC薄膜是由sp2键镶嵌在sp3键基体中构成的。在3μm~5μm波段对Si衬底有明显的增透效果。     

垂直腔面发射激光端面泵浦的高能量调Q Nd:YAG激光

采用垂直腔面发射激光端面泵浦Nd∶YAG获得了高能量的1 064 nm调Q激光输出。与边发射半导体激光相比,垂直腔面发射激光具有各向发散角相同、波长随温度漂移小等优点,更适合用作泵浦源以产生高效率、结构紧凑的激光。泵浦能量为200 mJ时,产生了最高45 mJ的1 064 nm激光输出,光光转换效率达到22.5%,激光脉宽为8 ns,发散角为1.2 mrad。基于模拟计算优化了Nd3+掺杂浓度,通过采用低浓度的Nd∶YAG晶体减小泵浦端面增益,从而有效抑制了影响调Q激光能量提高的自激振荡,为获得高能量的端面泵浦调Q激光输出提供了有效的技术手段。     

Effect of process parameters in nanosecond pulsed laser micromachining of PMMA-based microchannels at near-infrared and ultraviolet wavelengths

This paper presents investigations on the effects of nanosecond laser processing parameters on depth and width of microchannels fabricated from polymethylmethacrylate (PMMA) polymer. A neodymium-doped yttrium aluminium garnet pulsed laser with a fundamental wavelength of 1,064 nm and a third harmonic wavelength of 355 nm with pulse duration of 5 ns is utilized. Hence, experiments are conducted at near-infrared (NIR) and ultraviolet (UV) wavelengths. The laser processing parameters of pulse energy (402–415 mJ at NIR and 35–73 mJ at UV wavelengths), pulse frequency (8–11 Hz), focal spot size (140–190 μm at NIR and 75 μm at UV wavelengths) and scanning rate (400–800 pulse/mm at NIR and 101–263 pulse/mm at UV wavelengths) are varied to obtain a wide range of fluence and processing rate. Microchannel width and depth profile are measured, and main effects plots are obtained to identify the effects of process parameters on channel geometry (width and depth) and material removal rate. The relationship between process variables (width and depth of laser-ablated microchannels) and process parameters is investigated. It is observed that channel width (140–430 μm at NIR and 100–150 μm at UV wavelengths) and depth (30–120 μm at NIR and 35–75 μm at UV wavelengths) decreased linearly with increasing fluence and increased non-linearly with increasing scanning rate. It is also observed that laser processing at UV wavelength provided more consistent channel profiles at lower fluences due to higher laser absorption of PMMA at this wavelength. Mathematical modeling for predicting microchannel profile was developed and validated with experimental results obtained with pulsed laser micromachining at NIR and UV wavelengths.     

9.3μm脉冲CO_2激光倍频实验

介绍了利用9.3 μm脉冲TEACO_2激光通过AgGaSe_2晶体二次谐波产生(SHG)技术实现4.65 μm中红外波段激光输出的实验研究.根据非线性光学原理和倍频技术的基本要求,通过有针对性的技术手段选择TEACO_2激光器的输出谱线并控制脉冲波形的时间分布,使之满足激光倍频实验对泵浦脉冲光源在波长和输出时间分布上的基本要求,并以此为基波光源进行了产生二次谐波的实验研究.实验结果显示,即使是相同的AgGaSe_2倍频晶体材料,也会由于生产厂商的不同而具有完全不同的表面破坏阈值行为,而相同点是体损伤阈值均大于表面损伤阈值.实验获得倍频输出最大能量为12.9 mJ;倍频输出最高平均功率为940 mW. 4.65 μm中红外波段激光输出的实验研究.根据非线性光学原理和倍频技术的基本要求,通过有针对性的技术手段选择TEACO_2激光器的输出谱线并控制脉冲波形的时间分布,使之满足激光倍频实验对泵浦脉冲光源在波长和输出时间分布上的基本要求,并以此为基波光源进行了产生二次谐波的实验研究.实验结果显示,即使是相同的AgGaSe_2倍频晶体材料,也会由于生产厂商的不同而具有完全不同的表面破坏阈值行为,而相同点是体损伤阈值均大 表面损伤阈值.实验获得倍频输出最大能量为12.9     

类金刚石膜的制备、性能及应用

介绍了类金刚石膜的结构、制备方法和发展现状,综述了DLC膜的机械、电子、光学和生物学性能以及在这些领域中的应用状况。     

准基模纯风冷激光二极管泵浦Nd∶YAG激光器

介绍一种纯风冷激光二极管泵浦的脉冲Nd∶YAG激光器,单脉冲能量250mJ,重复频率25Hz,脉冲宽度7ns,光光转换效率13.6%。激光器输出为准基模,垂直和水平方向的M2值测量结果分别为2.81和4.09。同样结构下将风冷系统换成风冷水冷结合方式,激光器脉冲能量345mJ,重复频率提高到50Hz,光光转换效率上升为15.2%。两种形式的激光器连续工作时间5min,并进行了高温+55℃和低温-25℃的环境试验。     

A high voltage pulse power supply for metal plasma immersion ion implantation and deposition

We describe the design and implementation of a high voltage pulse power supply (pulser) that supports the operation of a repetitively pulsed filtered vacuum arc plasma deposition facility in plasma immersion ion implantation and deposition (Mepiiid) mode. Negative pulses (micropulses) of up to 20 kV in magnitude and 20 A peak current are provided in gated pulse packets (macropulses) over a broad range of possible pulse width and duty cycle. Application of the system consisting of filtered vacuum arc and high voltage pulser is demonstrated by forming diamond-like carbon (DLC) thin films with and without substrate bias provided by the pulser. Significantly enhanced film∕substrate adhesion is observed when the pulser is used to induce interface mixing between the DLC film and the underlying Si substrate.     

小型化单横模单纵模激光二极管泵浦Nd∶YAG激光器

在需要利用光的相干性的场合,如倍频、光参量振荡、全息以及光束的相干合成等对激光器输出的线宽有严格的要求,这时就需要对纵模进行选择。介绍一种小型化单横模单纵模激光二极管泵浦Nd∶YAG激光器,单脉冲能量3.6mJ,重复频率200Hz,脉冲宽度16ns,单横模、单纵模运转。该激光器采用谐振反射器和腔内倾斜标准具对纵模进行选择,试验结果与理论计算比较吻合。该激光器可用作窄脉宽高能激光器的种子源。     

9.3微米脉冲激光激光倍频实验

本文介绍了利用9.3m脉冲TEACO2激光通过AgGaSe2晶体二次谐波产生（SHG）技术实现4.65m中红外波段激光输出的实验研究。根据非线性光学技术原理和倍频技术的基本要求,通过有针对性的技术手段对于TEACO2激光器实现输出谱线选择和脉冲波形时间分布整形控制,使之尽量满足激光倍频试验对于泵浦的脉冲光源在波长和输出时间分布上的基本要求,并以此作为基波光源进行了产生二次谐波的试验研究工作。实验结果显示,即使是相同的AgGaSe2倍频晶体材料,由于生产厂商的不同具有完全不同的表面破坏阈值行为,而相同点是体损伤阈值均大于表面损伤阈值。实验上获得倍频输出最大能量12.9mJ;倍频输出最高平均功率940mW。