飞秒激光脉冲在金属材料上诱导形成表面周期性结构的实验研究

发布时间：2017-08-30 14:05

  本文关键词：飞秒激光脉冲在金属材料上诱导形成表面周期性结构的实验研究

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【摘要】：在过去几年里，飞秒激光由于其独特的加工优势已经被证明为一种非常有前景的加工方法，，尤其是加工金属、电介质以及半导体等固体材料。因为飞秒激光加工具有很短的热持续时间以及快速的固-汽相转变机制，因此可以限制加工过程中的热扩散现象，从而实现高质量、高精度、高效率的微纳加工。本文的研究目的是基于电子动态调控的思想，使用飞秒激光单脉冲以及飞秒激光脉冲序列加工金属铝和铜，研究了在金属表面诱导加工的微纳结构的形貌以及质量与激光参数之间的依赖关系，并比较了飞秒激光单脉冲和飞秒激光脉冲序列在控制金属上微纳结构形貌及质量上的差异。本论文的创新点以及主要研究结果概括如下： （1）采用飞秒激光单脉冲在金属铝表面诱导形成表面周期性结构，实验分析发现：随着激光脉冲个数的增加，铝表面周期性结构的形貌逐渐清晰、质量逐渐变好，但是波纹的周期随着脉冲个数的增加几乎保持不变；当激光能量密度增加时，金属铝表面烧蚀区域的面积有明显的增加，并且波纹的周期也随着能量密度的增加而变大，初步认为是由于材料表面自由电子密度增大的原因。 （2）通过使用脉冲序列对电子激发、电子密度、电子复合以及电子电离等电子状态进行调控，可以有效的控制加工结构的尺寸。即增加双脉冲之间的时间间隔可以使烧蚀区域尺寸明显减小。另外，使用脉冲序列在金属铜表面扫描加工可以获得高质量、高均匀性、高清晰性的大面积波纹结构，得出脉冲序列控制大面积结构的形貌以及质量比单脉冲加工更有效。这种基于电子状态调控的脉冲序列加工技术为高精度、高效率、高质量的加工提供了一种可靠的加工方法。 （3）利用飞秒激光单脉冲加工金属铜，实验发现当保持激光能量密度不变时，铜表面烧蚀区域直径随着脉冲个数的增加而增大，而脉冲个数相同时，烧蚀区域直径随着激光能量密度的增加而增加。激光烧蚀金属铜表面的热影响区深度随脉冲个数的增加而增加，而随着激光能量密度的增加而减小。另外，在铜表面烧蚀坑壁上形成了交叉的波纹结构，对于交叉结构形成的机理给予初步解释。研究还发现利用飞秒激光单脉冲在铜表面加工大面积波纹结构时，波纹结构的形貌随着扫描速度的增加逐渐变得模糊，即波纹结构的形貌和扫描速度密切相关。
【关键词】：飞秒激光 表面周期性结构 脉冲序列 金属材料
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4;TN249
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 课题背景11-17
• 1.1.1 飞秒激光11-12
• 1.1.2 飞秒激光微加工的实验研究12-16
• 1.1.3 与本课题的联系16-17
• 1.2 课题意义及国内外研究现状17-20
• 1.2.1 课题意义17-18
• 1.2.2 国内外研究现状18-20
• 1.3 本课题的研究内容20-23
• 1.3.1 研究内容20-21
• 1.3.2 文章简介21-23
• 第2章 飞秒激光与材料相互作用的理论基础23-33
• 2.1 飞秒激光烧蚀材料的物理过程23-24
• 2.2 激光与固体材料的相互作用24-25
• 2.2.1 激光的加热过程24-25
• 2.2.2 表面效应25
• 2.3 超快激光与材料相互作用多尺度模型25-27
• 2.4 超短激光与材料相互作用的量子模型27-29
• 2.4.1 超短激光与原子、分子和团簇相互作用的量子模型27-28
• 2.4.2 超短激光与晶体材料相互作用的量子模型28-29
• 2.5 等离子体模型29-30
• 2.5.1 电子的电离与热化29-30
• 2.5.2 光学特性30
• 2.6 改进的双温模型30-31
• 2.7 本章小结31-33
• 第3章 飞秒激光诱导表面周期性结构的原理及其实验系统33-43
• 3.1 引言33
• 3.2 周期性结构形成的机制33-35
• 3.3 实验装置和设备35-39
• 3.3.1 飞秒激光系统35-36
• 3.3.2 飞秒激光实验系统的搭建36-37
• 3.3.3 CCD 实时监测系统37
• 3.3.4 六自由度精密移动平台37-39
• 3.4 脉冲整形系统39-42
• 3.4.1 脉冲整形器39
• 3.4.2 脉冲整形系统的构成39-40
• 3.4.3 基于 MIIPS 方法的飞秒激光脉冲压缩的原理40-41
• 3.4.4 飞秒激光脉冲序列产生的原理41-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第4章 飞秒激光在铝表面诱导形成表面周围性结构43-55
• 4.1 飞秒激光脉冲加工实验平台43-44
• 4.2 飞秒激光单脉冲加工金属铝44-51
• 4.2.1 确定材料的烧蚀阈值44-45
• 4.2.2 脉冲个数对加工的影响45-49
• 4.2.3 能量密度对加工的影响49-51
• 4.3 飞秒激光脉冲序列加工金属铝51-53
• 4.4 本章小结53-55
• 第5章 飞秒激光脉冲微加工金属铜55-65
• 5.1 飞秒激光单脉冲微加工金属铜55-60
• 5.1.1 对烧蚀尺寸的影响56-58
• 5.1.2 激光诱导铜表面结构形貌的演化58-60
• 5.2 飞秒激光在金属铜表面加工大面积结构60-63
• 5.2.1 扫描速度对金属铜表面大面积结构形成的影响60-61
• 5.2.2 激光能量密度对金属铜表面大面积结构形成的影响61-62
• 5.2.3 包含两个子脉冲的脉冲序列时间间隔对大面积结构形貌的影响62-63
• 5.3 本章小结63-65
• 结论65-69
• 参考文献69-79
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单79-81
• 致谢81

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 宋云夺;飞秒激光的应用[J];光机电信息;2004年12期

2 董贤子;段宣明;;双光子三维微结构快速制备技术[J];光学精密工程;2007年04期

3 杨建军;飞秒激光超精细“冷”加工技术及其应用(I)[J];激光与光电子学进展;2004年03期

4 Hai-Lung Tsai;;Microscopic energy transport through photon-electron-phonon interactions during ultrashort laser ablation of wide bandgap materials Part Ⅰ: photon absorption[J];中国激光;2009年04期

5 黄佑香;张庆茂;廖健宏;周永恒;;飞秒激光微加工技术的评述与展望[J];金属热处理;2008年06期

本文编号：759715