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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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.     

高能量飞秒激光脉冲对硅和玻璃的附带损伤

采用高能量飞秒激光脉冲对硅片和载玻片的未抛光表面进行了烧蚀,对烧蚀后样品的表面形貌和纳米力学性能进行了检测。用显微镜对烧蚀后样品的表面形貌进行检测,硅片烧蚀后正面形貌随位置不同发生渐变,而烧蚀后玻璃正面烧蚀区与未烧蚀区有明显界限。用原子力显微镜对烧蚀后样品的预抛光背面进行了检测,发现硅片烧蚀前后背面形貌未发生显著变化;而玻璃烧蚀前后背面形貌发生了明显改变,且烧蚀区与未烧蚀区的背面形貌有较为明显的界限。利用原位纳米力学测量仪对样品抛光背面的纳米力学性能进行了测量,发现硅片背面纳米力学性能有与正面烧蚀区渐变形貌相对应的规律性变化,而玻璃烧蚀前后背面的纳米力学性能则无显著变化。样品表面微观形貌和纳米力学性能的规律性变化在一定程度上反映了高能量飞秒激光脉冲在样品背面产生附带损伤的分布情况。     

纳米孪晶立方氮化硼的飞秒激光材料去除机理

为实现能应用于超精密切削的新型超硬纳米孪晶立方氮化硼(nt-cBN)刀具的制备,探索了飞秒激光烧蚀方法对nt-cBN的材料去除特性。使用激光单点烧蚀方法及理论公式计算出了nt-cBN的烧蚀阈值及阈值功率,分别为0.523 J/cm~2和4.1 mW;基于烧蚀阈值,对nt-cBN材料在多种烧蚀功率下的单点烧蚀圆孔形貌进行了表征,并分析了不同阶段圆孔内壁多种微结构的形成与演变机理,阐明了随激光功率增加,nt-cBN表面经历了快速热汽化、熔化和相爆炸三种材料去除机理,并形成了纳米驼峰、爆裂和周期性波纹等不同烧蚀显微结构;对nt-cBN块材进行了直线扫描烧蚀加工,提出了基于光束扫描的动态烧蚀过程对材料的破坏形式及去除原理,并与单点烧蚀形成对比;建立了不同烧蚀功率下,飞秒激光扫描速度与加工微槽宽度和深度的关系曲线,并分析了烧蚀功率和扫描速度对加工效率和加工质量的影响规律,提出了能够保证加工效率并同时改善加工质量的激光扫描速度在0.1 mm/s左右。     

激光辐照下尼龙纤维材料的热烧蚀规律

为了得到激光辐照下尼龙材料的烧蚀规律,利用红外成像的方法分析了近红外连续激光辐照尼龙材料引起的热烧蚀现象。用摄像机和红外热像仪记录了尼龙材料在烧蚀过程中的主要现象和温度变化过程,并对实验结果与ANSYS仿真结果进行了对比。使用波长为976nm,输出功率密度为1×105 W/m2、光斑高斯半径为10mm的光束对尼龙材料进行照射的结果显示:开始时尼龙材料温度迅速上升,发生膨胀,并逐渐熔融分解;随着照射时间的增加,尼龙材料温度变化变缓,熔融部分向光斑边缘退化;当达到一定温度时,材料温度不再升高。由于受光束质量、材料性能不均匀、熔融部分向边缘退化等因素影响,得到的实验烧蚀结果与理论烧蚀结果稍有差异,但基本吻合,验证了实验方法及ANSYS数值仿真方案的可行性。     

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。