飞秒激光加工对熔覆层侧壁粗糙度的影响

针对熔覆成型件表面粗糙的难题,提出了在成形过程中对熔覆层侧壁进行飞秒激光精密加工的方法,重点研究了精密加工过程中飞秒激光的能量密度、能量分布、光斑重叠率对熔覆层侧壁粗糙度的影响规律,结果表明:当焦平面处飞秒激光的能量为高斯分布,加工得到的熔覆层侧壁表面粗糙度Ra 3 m时,激光能量密度介于0.12~0.34 J/cm2之间;当能量为平顶分布并且加工后熔覆层侧壁表面粗糙度Ra 3 m时,最佳能量密度范围为0.13~0.66 J/cm2;同等参数条件下,平顶能量分布激光加工得到覆层侧壁粗糙度小于能量高斯分布时的粗糙度数值。熔覆层侧壁粗糙度随光斑重叠率的增加先减小后增大,实验获得的最佳重叠率范围为78%~85%。     

紫外激光改性氧化钒薄膜

氧化钒薄膜制备后需要进行退火处理以降低非晶态氧化钒薄膜的方阻大小并改善薄膜结晶特性。传统退火方式时间较长且退火过程会导致器件性能降低。本文主要利用激光精确控制的特点处理氧化钒薄膜,通过平顶光路系统改变激光功率、高斯光斑形貌以及光斑的重叠率对氧化钒薄膜进行退火处理,主要研究了激光能量密度以及光斑重叠率对氧化钒薄膜的方阻,表面粗糙度以及结晶度的影响。实验结果表明激光功率为0.7 W,光斑重叠率为93.33%,光斑能量密度为62.2 mJ/cm2时,退火氧化钒薄膜的方阻值明显降低,薄膜表面光滑且氧化钒结晶度较好。     

基于SVM的多核学习飞秒激光烧蚀光斑图像分类

在利用飞秒激光加工单晶硅材料的过程中,会出现等离子体发光现象。随着飞秒激光烧蚀功率的变化,烧蚀过程中单晶硅材料表面溢出的等离子体光斑轮廓特征也大不相同。针对不同烧蚀功率下的光斑图像在分类过程中准确率不高的问题,提出了一种基于SVM的多核学习方法。首先,选取大量不同烧蚀功率下的光斑图像,对其进行预处理后提取光斑边缘轮廓信息,使用Hu不变矩和傅里叶描述子分别对图像轮廓特征进行描述。其次,建立光斑图像样本库,选取最合适的复合核函数以及核参数对分类模型进行训练。最后,使用高斯核函数与Sigmoid核函数的复合函数对光斑图像进行分类识别,实验研究表明:基于SVM的多核学习有效提高了光斑烧蚀功率的分类准确率。     

飞秒激光诱导TC4表面微观组织研究

为探究超快激光对金属材料的烧蚀特性,利用飞秒脉冲激光加工TC4,研究加工后TC4表面的形貌特点,分析飞秒激光加工金属的作用机理。当激光能量密度为8.05 J/cm2时,用白光干涉和扫描电镜观察不同扫描速度下材料表面的形貌变化。随着扫描速度的降低,表面条纹变深,条纹上方的二级微纳凸起尺寸增大,粗糙度增加,条纹侧面出现经典低空间频率条纹。从高斯光束特点和光斑重叠率角度对各种形貌的形成机理进行分析,高斯光束光斑中心处能量密度高,条纹上方形成凸起,侧面形成经典条纹;当光斑重叠率越大,单位面积内能量密度就越大,表面微结构尺寸也随之增大。     

脉冲光纤激光抛光TC4合金的实验研究与抛光层微观形貌分析

针对Ti6Al4V材料的激光抛光工艺进行实验研究,通过改变脉冲式激光的工艺参数设置,来分析激光参数对抛光工艺效果的影响,主要研究了激光输出功率、离焦量e和激光光斑重叠率δ这三个参数的影响规律与作用机理,并结合试样表面粗糙度测量值Ra,得出:激光输出功率为300 W左右,离焦量e控制在6～8 mm范围内,光斑重叠率δ在7...     

纳秒脉冲激光加工高反射率铝膜

为了研究基于近红外纳秒脉冲激光的高反射率金属薄膜的加工可行性以及加工效果, 采用纳秒脉冲激光对高反射率铝膜进行激光加工, 分别测量了在不同激光光斑尺寸和不同激光能量的条件下, 铝膜表面所发生的烧蚀形态变化。结果表明, 即使铝膜表面反射率高达96%, 依然能对铝膜进行激光加工; 使用较高功率激光对铝膜表面进行离焦加工(能量密度约小于1000J/mm2)的烧蚀图样比使用较低功率激光对铝膜表面进行对焦加工(能量密度约大于2000J/mm2)的烧蚀图样更加规则。相关实验结果对激光加工高反射率材料时激光参量的选择可起到一定的指导作用。     

钛表面微凹凸织构的激光加工及其细胞黏附研究

钛以其优异的力学性能和良好的生物相容性而被广泛用于制造医疗植入体。为提高钛在人体内的稳定性、抗菌性等,需对其表面进行修饰改性。本研究采用飞秒和皮秒激光在钛表面加工出微凹槽和微凸起结构,对比了两种激光技术在钛表面加工的微凸起和微凹槽结构在表面形貌、亲疏水性和生物相容性等方面的差异。表面形貌、轮廓、元素的表征结果表明两种激光加工结构的尺寸主要受能量密度的影响,而形状受光斑重叠率的影响较大,皮秒激光加工表面的氧含量较高。由于飞秒和皮秒激光改性钛表面微织构形貌的差异,水接触角(以下简称“接触角”)从初始的40.25°分别降为9.88°和0°。通过对比样品在空气、真空、生理盐水中保存3 d后的表面接触角发现,皮秒激光加工样品表面能保持稳定的超亲水性;经硅烷处理后,飞秒激光改性表面的接触角可达152.80°,而皮秒激光改性表面的接触角为146.38°。细胞黏附和增殖的实验结果表明飞秒激光加工的微凸起或微凹槽线阵有利于细胞的黏附和排列,而皮秒激光加工的微凸起或微凹槽线阵有利于促进细胞的铺展和迁移。     

纯铝设备线夹表面氧化层激光清洗工艺研究

针对纯铝设备线夹表面氧化层的清理需求,研究纳秒脉冲激光清洗纯铝设备线夹表面氧化层的工艺。通过不同工艺参数下的对比试验,研究不同功率和光斑叠加率对激光清洗效果和清洗效率的影响。在高效率激光清洗的前提下,通过研究不同重复频率和扫描次数对激光清洗效果的影响,进一步优化纯铝设备线夹表面氧化层激光清洗工艺。结果表明：在高功率、50%的光斑叠加率工艺设定下,氧化污染表面具有良好及高效的清洗效果;在上述基础工艺上,优化重复频率和扫描次数,能进一步提升表面的清洗效果;过高的功率、光斑叠加率及扫描次数,均会造成表面的过清洗。     

强激光束对运动物体的加热

利用热传导理论分析了强激光对运动物体的加热问题,得出了物体表面温度、激光功率密度、光斑尺寸及光斑相对于物体运动速度之间的关系。结果表明,当激光光斑相对于物体表面运动时,表面峰值温度明显降低;在大光斑情况下,只要ｕｔ＜ω,光斑运动速度对物体表面峰值温度影响很小。     

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。     

多脉冲飞秒激光烧蚀金属箔的热电子发射数值分析

通过双温模型(TTM)结合Richardson-Dushman方程对多脉冲飞秒激光烧蚀铜箔的热电子发射以及温度场进行了数值模拟。在模拟的过程中充分考虑了随着飞秒激光脉冲个数的改变,铜箔对飞秒激光的反射率、表面吸收率和表面吸收系数的变化等因素,部分改写了飞秒激光光源项,从而实现了多脉冲飞秒激光烧蚀铜箔的热电子发射和温度场的动态数值模拟。数值模拟发现,随着脉冲个数的增加和脉冲间隔的减小,铜箔表面的反射率和表面吸收系数将明显减小,表面吸收率将明显增大,这一变化对铜箔的电子发射以及多脉冲飞秒激光照射下铜箔的温度场具有重要影响;而随着距铜箔表面深度的增加,这些影响将逐渐减小。     

飞秒激光诱导Si表面周期条纹结构形成的超快成像研究

正飞秒脉冲激光出现以后,飞秒激光与物质相互作用得到了广泛的研究,出现了许多新现象、利用飞秒激光照射半导体材料表面,形成了周期远小于激光波长的纳米周期结构。建立了飞秒激光超快成像系统,直接观察到了飞秒激光诱导Si表面周期条纹在3 ns时间范围内的演化过程。将一束800 nm、50fs的线偏振飞秒激光分成两束,其中一束照射Si表面诱导产生周期条纹结构;另一束光经透镜会聚至水中产生脉宽约为1 ps的白光,利用此白光作为光源对周期条纹结构成像。改变两光束间的延迟时间,可得到飞秒激光诱导周期条纹结构在不同时间尺度的图像。通过观察发现,当激光脉冲能量大于材料单脉冲烧蚀阈值时,经3个飞秒脉冲照射后,能够产生规则的周期条纹结构,条纹垂直于激光偏振方向,周期约为500 nm。在时间尺度上,800 nm飞秒脉冲照射后,材料表面反射率增强,说明由于飞秒脉冲照射激发了材料表面等离子体的产生。约20 ps后,条纹开始出现;之后随着条纹长度、深度的增加,约70 ps后,能够观察到较清晰的周期条纹;经比较,在飞秒脉冲照射后约600 ps时,周期条纹形状与材料表面凝固后所产生的条纹结构基本相同。这一研究对飞秒激光诱导表面周期结构的形成机理具有重要的意义。     

激光清洗5083铝合金表面漆层的数值模拟与试验研究

为了探索不同功率的激光对铝合金表面漆层的温度场分布以及清洗深度的影响,以及光斑搭接率对清洗效果的影响,利用COMSOL multiphysics软件建立了光纤脉冲激光清洗5083铝合金表面漆层的数值模型,最后得既能够防止基体表面受到损坏,也能够使得漆层材料完全去除的激光功率,以及可以获得良好清洗效果的光斑搭接率,并用实验来得以验证。结果表明：激光重复频率为100 kHz时,激光功率越大,试样表面温度上升越快,烧蚀深度也随之增加。当30 W的激光功率基本上可以保证去除掉漆层且不伤及基体表面,对基体材料的烧蚀深度为10μm。在激光功率为30 W,光斑搭接率为50%的实验参数下,试样表面粗糙度较清洗前降低,为4.48μm,在该实验参数下可以获得不伤及铝合金基体的良好的清洗效果。该实验结果可以为光纤脉冲激光清洗的工艺参数的选择提供参考。     

脉冲激光切向整形径向修锐青铜金刚石砂轮

对脉冲光纤激光切向整形和径向修锐青铜结合剂金刚石砂轮技术进行了理论分析和试验研究。理论分析了激光切向整形和径向修锐青铜结合剂金刚石砂轮的机理,总结提出了决定脉冲激光修整效果的4个关键工艺参数:激光功率密度、激光光斑重叠率、激光扫描轨迹线重叠率及激光循环扫描次数。试验研究了这4个工艺参数对修整后砂轮表面磨粒石墨化变质层、磨粒磨削刃锋利程度、结合剂表面平整度及磨粒出刃高度的影响规律,并分别找到了在本试验条件下的理想值。     

基于响应面分析的飞机蒙皮激光除漆可控性研究

随着飞机蒙皮“部分褪漆”维修理念的提出，多漆层结构激光除漆的可控性值得关注。基于响应面分析方法，建立了激光参数（光斑搭接率、激光功率及扫描次数）与可控性指标（漆层去除厚度、表面粗糙度）间的数学模型，分析了激光多参数耦合作用对可控性指标的影响规律。结果表明：激光参数对漆层去除厚度的影响顺序依次为扫描次数、激光功率、光斑搭接率，且均为正相关；表面粗糙度随光斑搭接率的增大而减小，随激光功率的增大而增大，扫描次数对表面粗糙度的影响具有峰值效应。验证试验结果表明：响应面模型可为厚度精度为±5μm的激光可控除漆提供参考。基于响应面分析方法建立的多漆层结构激光可控清除数学模型，可为飞机蒙皮漆层的激光可控清除提供方法指导与理论支撑。     

脉冲光纤激光直写金属薄膜电阻实验研究

目前激光直写膜电阻时,所加入的辅料容易造成杂质污染,膜的厚度和粗糙度难以降低。为减少杂质污染,降低膜厚和表面粗糙度,改善激光直写微电路性能,进行了透射式激光直写金属薄膜电阻的实验研究,分析了薄膜线宽与激光光斑能量分布特点的关系,获得了线宽低于光斑直径的导电薄膜。实验表明,扫描速度的增加或离焦量的降低会导致光斑重叠率和导线宽度减小。同时,过高的功率会使薄膜受到烧蚀破坏,功率过低则难以将靶材充分熔化附着在玻璃基板上。相比之下,锌膜颗粒尺寸较为均匀,而Al/Zn混合膜的颗粒尺寸不一致。     

微纳米结构TiO_2的飞秒激光结合化学氧化复合制备及其光催化性能

直接在Ti基底表面制备的三维微纳米复合结构TiO_2具有比表面积大、光利用效率高、电荷传输阻抗小的优势。采用飞秒激光对Ti片进行刻蚀制备微米结构,使用H_2O_2在微米结构表面氧化制备纳米多孔TiO_2。该复合方法制备的三维微纳米复合结构TiO_2在紫外波长范围内平均反射率低于5%。光催化降解甲基橙结果显示,飞秒激光制备的微米结构形状和尺寸特征对催化性能有显著影响。该复合结构性质稳定,多次降解循环速率保持不变。飞秒激光化学复合制备的方法可以充分发挥飞秒激光在Ti基底表面超精密、可控制备的优势,对实现金属表面金属氧化物功能材料的制备具有重要意义。     

飞秒激光扫描不同温度下的硅片诱导形成微结构的差别

不同温度下利用钛宝石激光器输出的飞秒激光脉冲(脉宽42fs,中心波长800nm,最大单脉冲能量3.6mJ),通过扫描方式在硅表面诱导产生表面微结构。采用光学显微镜和扫描电镜观察飞秒激光诱导硅表面微结构的形貌,发现不同温度下硅片表面形成的微结构区域和形貌出现明显的差异。根据观测结果,分析比较了不同温度条件下硅材料微结构形成的能量阈值。随着温度升高,形成的微结构区域减小,飞秒激光诱导形成硅表面微结构的能量阈值升高。这对于研究飞秒激光与物质的相互作用有一定的参考价值,也能对将来实现硅表面微结构的制作提供参考。     

基于激光诱导表面条纹微结构的着色机理

研究表面条纹微结构对激光诱导氧化膜着色机理的影响,具体分析不同工艺参数下激光诱导表面微结构的条纹宽度、条纹高度及条纹重叠度的变化特性。首先,通过改变离焦量、脉冲频率、扫描速度、条纹间隔、功率及打标次数等工艺参数来制备样本,观测并分析样本的条纹宽度受能量密度、光斑重叠度的影响,以估算条纹宽度。然后,通过条纹宽度和测量的表面粗糙度近似计算了条纹高度,理论与实际误差为-0.375～0.430μm。同时,通过条纹宽度和条纹间隔计算了条纹间重叠度,并分析条纹高度、条纹间重叠度及表面粗糙度三者之间的关系。最后,通过表面粗糙度与条纹间隔计算类光栅闪耀角,发现类光栅闪耀角能更好地描述条纹凹凸程度。多次打标样本具有颜色饱和效应,并提出一种多层颜色打标模型。     

粉末分布对激光近净成形Al_2O_3陶瓷薄壁件表面形貌的影响

采用同轴送粉激光近净成形系统,研究同轴送粉粉末分布特征,开展氧化铝(Al2O3)陶瓷薄壁件成形实验,结合粉末分布密度函数分析光斑直径和激光功率对激光近净成形Al2O3陶瓷薄壁件表面形貌的影响。结果表明,同轴送粉粉末成双重高斯分布,激光光斑大小影响光束直接辐照粉末量,进而影响薄壁件表面形貌,光斑大小与光束直接辐照粉末量成高斯积分函数;增大激光功率可减弱高斯分布粉末对激光能量分布的影响,有利于获得较好的表面形貌,但激光功率过大会导致薄壁件表面形貌变差;采用合理的工艺参数成形的Al2O3陶瓷件相对密度可达99.72%。