调Q脉冲CO2激光切割Si3N4工程陶瓷的机理研究

采用调Q脉冲CO2激光器对Si3N4工程陶瓷进行了切割试验.在计及切口烧蚀前沿形状和高斯光束空间能量分布的前提下,采用简化的二维模型,针对气化切割过程,在能量平衡基础上,建立了一个脉冲激光切割数学模型.试验结果表明,采用高速多次重复走刀工艺可实现无损伤激光切割.     

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。     

飞秒激光加工SiC的烧蚀阈值及材料去除机理

超短脉冲激光微加工技术以其独特的优势,尤其是对硬脆难加工类宽带隙材料的精密处理,而使其成为微结构加工中的研究热点.利用飞秒激光微加工系统对宽带隙材料SiC的烧蚀特性进行理论和试验研究.应用扫描电子显微镜、原子力显微镜和光学显微镜等检测技术对样品的烧蚀形貌进行检测,以分析烧蚀区域的形貌特征及微结构质量.依据烧蚀孔径和入射脉冲激光能量之间的函数关系,得出SiC材料的烧蚀阈值为0.31 J/cm2,并估算出光束的束腰半径为32 μm.研究脉冲数目、重复频率和入射激光功率等对加工微结构形貌的影响规律,根据试验参数加工出形状规则的微孔结构,并对微结构的烧蚀形貌及材料的去除机理进行分析,为实现微结构的精密加工提供了重要的指导.     

长脉冲激光与硅相互作用气化过程的数值模拟

为了研究毫秒量级脉宽激光与半导体材料的相互作用机理,建立了一维有限元模型,对长脉冲激光与硅相互作用的气化现象进行了数值模拟.在计算中,利用热焓法处理了固一液相变过程,并根据热流方程考虑了气化产生的能量损失.在人射激光功率密度相同的条件下,定量地描绘了不同脉宽激光辐照材料的温度分布,前表面的温度历史,以及气化速度和气化深...     

基于清洗表面形貌的AH32钢激光除锈机制

为了获得纳秒激光除锈工艺规律并揭示除锈机理,研究了不同工艺参数下激光除锈后AH32船用钢的表面形貌与粗糙度。采用纳秒脉冲激光器在不同工艺参数下对试样表面锈层进行激光清洗,使用激光共聚焦显微镜测量清洗表面粗糙度,基于扫描电镜观察清洗表面微观形貌,借助能谱分析仪进行清洗表面元素分析。最后,结合试验结果揭示了AH32船用钢的纳秒激光除锈机制。试验结果表明:在3 000mm/s的扫描速度下分别采用30.6J/cm2和10.2J/cm2的激光能量密度对AH32船用钢表面锈层进行分步激光清洗,可以显著改善清洗形貌并降低表面粗糙度。微观形貌分析发现在上述清洗条件下,基体表面呈现微熔状态,光斑内部光滑均匀,边缘分布枝晶状乳突结构。分步激光清洗工艺可以获得较好的清洗效果和较高的清洗效率,其除锈机制主要包括孔洞爆破机制和烧蚀蒸发机制。     

切向气流作用下激光辐照对尼龙材料的热烧蚀规律

为了研究切向气流对激光毁伤低慢小目标的影响,采用仿真分析和实验相结合的方法研究了在激光辐照典型低慢小目标材料尼龙66过程中切向气流对激光烧蚀作用的影响。建立了激光烧蚀尼龙的简化物理模型,利用红外热像仪分别研究了1.5s和4s两个时刻激光辐照下尼龙材料的温度场分布和烧蚀形貌,并与无气流条件下的结果进行对比。实验表明,切向气流对激光烧蚀尼龙材料过程的影响主要分两个阶段,在辐照前段时间切向气流减缓了激光辐照下尼龙66材料的温升,抑制了激光对尼龙材料的烧蚀作用;但随着温度的升高,热分解产物增多使激光屏蔽作用增强,切向气流减轻了目标材料表面热分解产物对激光的衰减,并为尼龙材料的氧化烧蚀提供更多氧气,促进了烧蚀作用。最后对切向气流下激光烧蚀尼龙的过程进行了ANSYS仿真,实验结果和仿真结果基本一致,从而验证了理论的可靠性。     

CVD金刚石涂层工具的水膜辅助脉冲激光加工技术研究

为了揭示水膜层在CVD金刚石涂层磨削工具脉冲激光加工过程中的重铸层抑制作用,基于皮秒脉冲激光加工实验,研究水膜辅助对激光加工重铸层的影响。并在此基础上,采用激光烧蚀实验与理论建模相结合的方法,研究水膜辅助激光功率和扫描速度等加工参数对烧蚀沟槽几何尺寸和形貌特征的影响规律,并验证激光加工理论模型的准确性。结果表明,材料表面形成的水膜层能有效抑制脉冲激光加工重铸层的形成,加工后的材料表面与内部均未发现重铸物质。水膜辅助激光加工实验结果与单纯激光加工理论计算模型吻合度较高,说明水膜层能够有效消除由重铸层引起的激光烧蚀阻碍作用,从而提高激光加工效率。因此,水膜辅助脉冲激光加工技术为新型CVD金刚石涂层磨削工具提供了精密高效的加工方法。     

等离子体吸收对飞秒激光烧蚀绝缘材料的影响

以自由电子运动的速率方程模型为基础,研究了飞秒脉冲激光对绝缘材料的烧蚀机理,考虑了等离子体对激光能量的吸收效应,建立了激光强度与电子数密度及等离子体吸收系数三者相互耦合的数学模型,计算出飞秒激光烧蚀绝缘材料时的烧蚀阈值,分析了考虑等离子体吸收效应对烧蚀阈值的影响,通过与不考虑等离子体吸收所得结果相比较说明该效应是影响烧蚀阈值的一个重要因素.     

基于飞秒激光诱发前向转移技术的研究

在激光诱导的作用下实现微量物质的转移技术即为激光诱发前向转移技术。飞秒激光具有激光脉宽极短、峰值功率极高的特点,其在与材料作用过程中的特性不同于长脉冲激光。在利用传统长脉冲激光对材料进行加工时,材料是通过固相、液相和气相这3个热熔过程而逐层剥离的,从而导致热扩散十分严重,进而对加工质量产生了很大的影响。飞秒激光烧蚀材料时间非常短,基体内的热传导可以被忽略,这就从根源上避免了长脉冲激光加工过程中产生的冲击波、热影响区和熔融区等不利影响,从而在一定意义上使冷加工得以实现。针对飞秒激光的特点、飞秒激光加工机理和飞秒诱发向前转移技术的优点进行了研究,希望对飞秒激光诱发前向转移技术有一个全面的了解。     

准分子激光脉冲直写刻蚀速率与能量密度的关系

为了探索低成本、大深宽比加工方法,建立了实用的准分子激光微加工系统.以玻璃为实验靶材,用精密微动平台准确调节靶材位置,利用波长248nm的KrF准分子激光器,研究了准分子激光直写刻蚀过程中平均刻蚀速率与激光脉冲能量密度之间的关系.加工出的沟槽剖面形状均呈现锥型,单脉冲烧蚀速率随脉冲数的增加而减小,激光脉冲对材料的刻蚀具有能量阈值,加工槽的深度具有上限值.采用平行激光束或对加工过程进行动态控制还可实现矩形深槽或圆柱深孔的加工.     

脉冲激光烧蚀树脂CBN砂轮的数值模拟研究

针对声光调QYAG脉冲激光修整树脂CBN砂轮，建立了单脉冲激光烧蚀过程的数学模型。应用有限元方法模拟出各种激光功率密度条件下的温度场和凹坑形貌，获得单脉冲烧蚀凹坑深度与激光功率密度的关系曲线，并与试验结果进行比较，表明所建立的模型可以正确描述实际物理过程。     

纳秒脉冲激光在木材表面加工中的应用研究

针对木浮雕表面的毛刺打磨问题,提出了纳秒脉冲激光加工的方法。设计了具体的研究方案,阐述了激光与木材之间的作用机理。并且自行设计了激光加工实验平台,在该平台上完成了木材的烧蚀实验,初步分析了纳秒脉冲激光的参数对烧蚀结果的影响。     

单晶硅表面微结构纳秒脉冲激光加工研究

以单晶硅为对象,使用波长355 nm、脉宽15 ns的纳秒激光对单晶硅进行烧蚀加工试验研究.基于单因素法设计并完成了单晶硅纳秒脉冲激光直线刻蚀试验,探究了激光输出功率、激光脉冲重复频率、激光扫描速度和扫描次数对纳秒脉冲激光加工单晶硅表面形貌的影响规律.基于优化的加工工艺参数,在单晶硅表面制备出方形阵列的微结构.     

单晶硅片在脉冲激光作用下的断裂行为

基于脆性材料在激光辐照下的断裂行为,将可控断裂激光切割技术应用于脆性材料的加工.为了分析脉冲激光辐照脆性材料过程及脉冲激光扫描过程中产生的断裂行为机理,采用数值计算方法建立了含有裂纹的三维有限元热弹计算模型.分析了脉冲激光辐照单晶硅片过程中温度场和热应力场的变化情况,并模拟计算了硅片边缘含有裂纹时裂纹尖端应力强度因子的...     

声光调Q YAG脉冲激光修锐和整形青铜金刚石砂轮

采用声光调Q钇铝石榴石(Yttriumaluminumgarnet,YAG)脉冲激光径向辐照,修锐和整形青铜金刚石砂轮。通过建立传热学数学模型和数值计算以及激光单脉冲烧蚀试验,分析了修锐和整形机理,找到了合理的修锐和整形的激光参数与工艺参数。设计和研发了一套在线检测闭环控制激光烧蚀系统,利用该系统控制激光烧蚀过程,进行了青铜金刚石砂轮修整,得到了较高的整形精度和良好的地形地貌,并且实现了一道工序同时整形与修锐。通过磨削对比试验分析了修整效果。     

激光烧蚀金刚石磨粒及其变质层与微裂纹分析

采用声光调Q Nd:YAG脉冲激光烧蚀金刚石磨粒,研究激光参数对磨粒变质层及微裂纹的影响.首先建立传热学数学模型,进行模拟计算,然后通过烧蚀试验和实际检测进行验证,分析其原因,总结出脉冲激光的重复频率是影响变质层和表面微裂纹的主要因素.     

纳秒激光加工2.5维Cf/SiC复合材料的烧蚀孔洞特征

针对新型材料2.5维碳纤维增强陶瓷基（Cf/SiC）复合材料采用传统机械加工难以去除加工的问题，采用纳秒激光烧蚀2.5维Cf/SiC复合材料，烧蚀后采用扫描电子显微镜观察其烧蚀孔洞形貌特征，并分析其烧蚀去除机制，讨论激光加工参数对烧蚀孔径的影响。研究表明，Cf/SiC复合材料的激光烧蚀区域出现烧蚀孔洞、重凝、纤维断口、末端气胀，以及长轴与纤维方向一致的椭圆形材料性能变化区域等烧蚀现象；激光烧蚀Cf/SiC复合材料过程中存在氧化的化学变化现象；烧蚀产生的孔径随烧蚀功率的增加和烧蚀时间的延长而增大，烧蚀时间和烧蚀功率均较大时，可能存在烧蚀孔洞被重凝材料堵塞或部分堵塞的情况。计算出纳秒激光的束腰半径为223 μm，纳秒激光烧蚀Cf/SiC复合材料的烧蚀阈值为0.32 J/cm2。     

飞秒激光正交线扫描诱导表面微纳结构

通过控制激光偏振与扫描方向,利用飞秒脉冲激光正交线扫描的微加工方式,在硅和不锈钢表面诱导出了规则分布的复合表面微纳结构并分析了激光能量密度对微纳表面结构形成的影响。实验显示:当激光的能量密度接近材料烧蚀阈值时,在硅表面诱导出了周期条纹嵌套纳米孔的双层复合二维结构,在不锈钢表面则诱导出了依赖于激光偏振方向的纳米点阵列分布,分析认为纳米点阵列是由周期条纹结构边缘发生断裂而生成的。另外,当激光的能量密度大于材料烧蚀阈值时,在硅和不锈钢表面会烧蚀出规则分布的微米级孔洞结构。实验结果表明:第一次扫描诱导出的表面微纳结构增加了对入射激光的吸收,促进入射激光与表面等离子体波的耦合,加强了后扫描的烧蚀效果,使得后扫描诱导出的微纳结构占主导。文中提出的正交线扫描的加工方式为微纳表面结构的制备提供了新的思路。     

激光工艺参数对铝合金烧蚀特征尺寸的影响研究

相较于传统的人工标记、喷墨标记、电脑刻字标记等对产品进行唯一性标记的方式,激光标记具有速率快、加工精度高、热影响区小且经济实惠的特点,从而具有较大的实用价值。而在激光标记过程中,工艺参数选择不当容易造成标记不清晰,难以识别的问题。文中通过数值模拟与试验研究激光工艺参数与烧蚀特征尺寸之间的关系,结论如下：激光功率、激光频率及脉冲宽度与烧蚀深度、宽度成正比,然而激光功率、频率过大,会产生难以消除的多余物,在实际应用中推荐使用激光功率60 W、脉冲频率40 k Hz、脉冲宽度500 ns作为激光标记参数。     

飞秒激光无碎屑加工不锈钢血管支架

经皮冠状动脉植入血管支架是解决心血管堵塞的主要手段.管状心血管支架主要采用纳秒激光加工,但存在热效应大、熔渣碎屑残留、以及复杂后处理等问题.因此,利用高重复频率红外飞秒激光对不锈钢血管支架进行加工,研究飞秒激光烧蚀作用机理,分析材料的去除过程,研究激光能量密度、平台进给速度、激光脉冲重复频率等加工工艺参数对加工表面的影响规律,研究结果表明:高重复频率低能量密度下飞秒激光加工具有良好的表面质量和加工效率;在激光能量密度、脉冲重复频率、进给速度、气体压力分别为1.99J/cm2、100 kHz、24.6 mm/min、0.1 MPa时,实现了热影响区小、无碎屑残留且没有重凝层的高质量血管支架切割,并且在其表面加工了直径为30 μm的储药孔.