短脈沖及超短脈沖激光對(duì)金屬的燒蝕及微加工研究.pdf

1、短脈沖激光在燒蝕加工中的應(yīng)用，極大地提高了激光微細(xì)加工的能力。特別是超短脈沖激光燒蝕材料時(shí)顯現(xiàn)出的“無(wú)熔化物”加工特性，更使其成為近年來(lái)激光微加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為了進(jìn)一步探究短脈沖及超短脈沖激光對(duì)金屬材料的燒蝕機(jī)理及微加工工藝，本論文進(jìn)行了三個(gè)方面的研究工作。
　　 首先，自主開發(fā)了超短脈沖激光材料燒蝕的分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件，并系統(tǒng)地模擬了飛秒激光脈沖與納米厚度的空間自由銅薄膜及塊狀銅晶體表面的作用過(guò)程，分析材料在強(qiáng)烈非平衡激光

2、加熱過(guò)程中的升溫、熔化、過(guò)熱、過(guò)冷、應(yīng)力波產(chǎn)生及傳播、彈性振蕩、汽化、斷裂、分解等物理現(xiàn)象；使用較大尺寸的模擬體系模擬飛秒激光脈沖作用下空間自由銅薄膜的汽泡成核過(guò)程，得到空穴成核、非均勻汽泡成核以及均勻汽泡成核等三種不同成核過(guò)程的原子級(jí)圖像；模擬了飛秒激光脈沖與塊狀銅晶體的作用過(guò)程，研究了熔化深度、氣相原子數(shù)及燒蝕深度與脈沖能量的依賴關(guān)系，并在與燒蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的基礎(chǔ)上，分析不同脈沖能量范圍內(nèi)的飛秒激光燒蝕機(jī)制。模擬結(jié)果表明，應(yīng)力波在被

3、燒蝕材料內(nèi)的傳播或弛豫過(guò)程將在很大程度上影響材料的升溫及相變行為，并可使得材料表面發(fā)生光致機(jī)械分裂現(xiàn)象；按照脈沖能量密度的高低，可將飛秒脈沖激光對(duì)金屬材料的燒蝕作用分為表面形貌改變、多脈沖積累燒蝕、光機(jī)械斷裂燒蝕及熱動(dòng)力學(xué)分解燒蝕等四種類型。
　　 其次，為了提高納秒脈沖激光金屬燒蝕加工的質(zhì)量和效率，采用脈沖塑形方法，將納秒激光脈沖的單脈沖能量在時(shí)間上和空間上重新分配，并通過(guò)燒蝕實(shí)驗(yàn)探究使用塑形激光脈沖提高激光燒蝕加工質(zhì)量和效率

4、的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空間部分重合的塑形脈沖可以改變材料熔流的運(yùn)動(dòng)方向，抑制材料熔化物在孔入口或槽邊沿的堆積，從而提高納秒短脈沖激光的燒蝕質(zhì)量；共軸塑形脈沖可以加速材料熔化物從激光燒蝕區(qū)的排出，從而提高激光燒蝕效率；在空氣環(huán)境下，塑形雙脈沖方法能大幅度提高不銹鋼試件的打孔效率，并由此提出納秒短脈沖激光金屬打孔的雙脈沖方法。
　　 最后，分別從實(shí)驗(yàn)及分析計(jì)算兩方面討論了高重復(fù)頻率脈沖激光燒蝕過(guò)程中的準(zhǔn)真空環(huán)境效應(yīng)。將不同重復(fù)頻率

5、脈沖激光的燒蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果與不同氣壓環(huán)境下的燒蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，說(shuō)明準(zhǔn)真空環(huán)境效應(yīng)存在的可能性；分析和計(jì)算了激光作用區(qū)周圍環(huán)境氣體密度分布以及低密度環(huán)境持續(xù)時(shí)間，說(shuō)明高溫低密度環(huán)境是準(zhǔn)真空環(huán)境效應(yīng)形成的內(nèi)在原因。此外，還介紹了使用光學(xué)紋影照像法拍攝激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波的實(shí)驗(yàn)裝置及激光打孔過(guò)程不同階段等離子體沖擊波的拍照實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)沖擊波擴(kuò)張半徑、打孔脈沖數(shù)及孔深分析了孔的成形過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于陶瓷和金屬材料，激光脈沖作用后同一時(shí)刻