超短激光加工蓝宝石研究

发布时间：2017-08-04 20:25

  本文关键词：超短激光加工蓝宝石研究

  更多相关文章： 蓝宝石基片 纳秒紫外激光 皮秒红外激光 扫描刻蚀微槽 图形切割

【摘要】：蓝宝石晶体由于其硬度高、化学稳定性好、透光性强等优良的物理、化学及光学特性,被广泛应用于工业、国防和科研等领域。如被用作高档表的耐磨损表镜,半导体材料的外延生长基片及红外军用装置、导弹等的窗口材料,尤其在手机产品上的广泛应用而再次备受关注。但脆性是蓝宝石晶体的致命缺陷,其加工过程极易产生崩边及裂纹现象,而且由于生长过程复杂,生产成本高,因此对其高质量低损耗的加工一直是加工蓝宝石的难题。本文针对这一制造领域的难点,比较系统地进行了短波长紫外激光和超短脉冲皮秒激光对蓝宝石毛坯片精细加工的实验研究。论文内容主要包括以下几个部分:(1)介绍了激光与物质作用的一般规律,分析了短波长紫外激光和超短脉冲皮秒激光与蓝宝石材料相互作用的理论机理。(2)开展了纳秒(~40ns)355nm紫外激光加工蓝宝石基片的实验研究。通过控制单一变量法,研究了纳秒紫外激光器功率、扫描速度和扫描次数对0.55mm厚蓝宝石毛坯片加工的基本规律,并通过激光冲孔的方式确定纳秒紫外激光对蓝宝石基片损伤的峰值功率密度阈值为0.5×109W/cm2。最后,通过理论模型计算和实际激光刻蚀微槽实验的对比分析,确定了纳秒紫外激光加工蓝宝石过程主要为光热作用去除机理,热作用限制了其切割蓝宝石的质量和深度,即使其峰值功率密度达到109W/cm2,也不可实现对蓝宝石的图形切割。(3)开展了1064nm皮秒(~15ps)激光加工蓝宝石基片的实验研究。通过激光冲孔实验确定了1064nm皮秒激光对蓝宝石基片损伤的峰值功率密度阈值为0.5×1012W/cm2,并通过激光扫描刻蚀微槽实验探究了激光功率、扫描速度和扫描次数对蓝宝石基片的加工规律,得到工艺参数的改变对微槽宽度无影响,但扫描次数的增加有利于提高加工质量的实验结果。结合基础实验规律,进行参数优化,采用分层扫描切割的方法成功在0.55mm厚蓝宝石毛坯片上切割出不同形状、不同尺寸的无崩边、裂纹等热现象的高质量图形结构。最后结合实验结果分析,确定蓝宝石材料在皮秒激光作用下可归结为一种“冷”消蚀的材料去除方式,其在加工蓝宝石等硬脆性材料上存在一定优势。
【关键词】：蓝宝石基片 纳秒紫外激光 皮秒红外激光 扫描刻蚀微槽 图形切割
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ164.2;TN249
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 研究背景及意义9-12
• 1.2 国内外研究现状12-17
• 1.2.1 短波长紫外激光加工蓝宝石基片的研究现状12-15
• 1.2.2 超短脉冲激光加工蓝宝石基片的研究现状15-17
• 1.3 课题来源及主要研究内容17-19
• 1.3.1 课题来源17
• 1.3.2 本文研究的主要内容17-19
• 第2章 激光加工机理19-27
• 2.1 激光与物质作用的一般规律19-21
• 2.2 短波长紫外激光加工蓝宝石机理的理论分析21-23
• 2.3 超短脉冲皮秒激光加工蓝宝石机理的理论分析23-25
• 2.4 本章小结25-27
• 第3章 实验材料、方法和装置27-35
• 3.1 实验材料27-28
• 3.1.1 蓝宝石晶体结构27
• 3.1.2 蓝宝石晶体主要的物理性能27-28
• 3.2 实验设备装置28-32
• 3.2.1 激光加工系统28-31
• 3.2.2 实验材料处理及测量仪器31-32
• 3.3 实验研究方法32-33
• 3.3.1 激光冲孔实验32
• 3.3.2 激光刻槽实验32-33
• 3.3.3 激光切割实验33
• 3.4 本章小结33-35
• 第4章 355nm紫外纳秒激光加工蓝宝石基片的实验研究35-43
• 4.1 引言35
• 4.2 紫外激光作用蓝宝石的损伤阈值35-36
• 4.3 激光工艺参数对蓝宝石基片微加工的影响及规律36-40
• 4.4 紫外激光对蓝宝石基片加工结果及分析40
• 4.5 本章小结40-43
• 第5章 1064nm皮秒激光加工蓝宝石基片的实验研究43-55
• 5.1 引言43
• 5.2 皮秒激光作用蓝宝石的损伤阈值43-44
• 5.3 激光工艺参数对蓝宝石基片微加工的影响及规律44-49
• 5.3.1 激光平均功率对蓝宝石基片加工的影响44-46
• 5.3.2 激光扫描速度对蓝宝石基片加工的影响46-48
• 5.3.3 激光扫描次数对蓝宝石基片加工的影响48-49
• 5.4 皮秒激光对蓝宝石基片加工结果及分析49-54
• 5.5 本章小结54-55
• 结论55-57
• 参考文献57-61
• 攻读硕士学位期间的科研成果61-63
• 致谢63

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本文编号：621541