基于复耦合模型的面齿轮飞秒激光加工参数影响研究

分析了飞秒激光精微加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA的机理,在光子与电子,电子与晶格之间温度传递的双温模型的基础上建立了耦合动态热力学参数的复耦合模型,通过模型仿真分析,得出了电子与晶格的温度变化过程,预测了去除高于蒸发温度的材料烧蚀形貌。对面齿轮材料进行飞秒激光扫描加工实验,得出随着能量密度的增大,凹坑半径和深度都会有一定程度的增大,当能量密度为1.98 J/cm²时,烧蚀形貌较好,当能量密度继续增大达到2.18 J/cm²时,凹坑内部开始产生少量的熔融物堆积;随着脉宽的增大,形貌变化不大,但产生的熔融物逐渐减少,凹坑趋于平整;随着扫描速度的增大,沟槽的深度逐渐减小,宽度逐渐增大。采用三维超景深仪观测烧蚀形貌,实验结果与仿真结果基本一致,为飞秒激光精微加工面齿轮提供了依据。     

飞秒激光制备表面微纳结构数值模拟与实验研究北大核心CSCD

微纳米尺度的表面结构在表面工程中有着许多特殊的性能和应用,为了研究飞秒激光制备不锈钢表面微纳结构的机理,基于经典双温模型理论对飞秒激光烧蚀304不锈钢的过程进行了数值模拟计算。经过计算得到了不同激光能量密度、不同烧蚀深度处电子与晶格系统温度的演化规律,确定了飞秒激光单脉冲作用下的烧蚀阈值,通过数值模拟得到飞秒激光烧蚀不锈钢只发生在材料的表面,对内部的材料影响很小。最后使用飞秒激光微纳加工系统在不锈钢表面制备了微纳结构,多边形微孔结构保持了高质量的边缘形貌,在孔的内壁出现了周期性结构。     

飞秒激光烧蚀面齿轮材料的工艺参数影响研究

根据面齿轮材料18Cr2Ni4WA的飞秒激光扫描加工中的温度传递过程，建立了三温传热模型，并建立了扫描加工中的多脉冲能量累积模型。仿真分析了改变激光能量密度对烧蚀材料时电子晶格温度的变化，多脉冲加载下电子、晶格和材料表面最高温度的变化，以及改变扫描速度和扫描间距对加载能量的变化，结果表明随着能量密度的增大，电子最高温度从37000 K上升至44000 K、最终平衡温度从17000 K上升至22000 K。在多脉冲的加载下，随着能量密度的增大，电子最高温度也有一定程度的增大，并且材料表面最高温度的平衡温度也会增大，从2600 K上升至3250 K。随着扫描速度和扫描间距的增大，多脉冲累积能量有一定的减小，能量分布尺度在增大。试验分析了不同能量密度、扫描速度和扫描间距对飞秒激光烧蚀面齿轮材料的影响，并对烧蚀形貌进行了粗糙度分析，结果表明，当能量密度为4.34 J/cm²、扫描速度为300 mm/s、扫描间距为18μm时，烧蚀形貌质量较好。该研究为提高飞秒激光扫描加工面齿轮材料的表面形貌质量提供了研究基础。     

能量耦合模型的飞秒激光烧蚀面齿轮形貌研究北大核心CSCD

飞秒激光精微加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA是去除材料的先进制造方法。本文依据烧蚀凹坑的深度与宽度和激光能量密度的关系得到材料的烧蚀阈值和影响重叠率的因素。考虑齿轮材料成分间互温感应效应与多脉冲激光累积效应,建立材料的能量复耦合模型。通过改变激光能量密度和脉冲数,研究飞秒激光烧蚀凹坑及齿面形貌表面的变化规律,得出脉冲数对烧蚀效果影响小,激光能量密度为1.730 J/cm2激光功率为1.9 W脉冲数N=3000进行烧蚀效果最好可得到最优的实际烧蚀面深度为17.604μm。     

飞秒激光烧蚀齿面表层构态分析及其控制研究

为了分析飞秒激光烧蚀面齿轮齿面表层构成及其形态影响,本文针对面齿轮材料18Cr2Ni4WA,通过建立双温传热模型,模型采用向后有限差分法进行飞秒激光烧蚀数值模拟,研究飞秒激光烧蚀齿面的加工过程,分析能量密度对重铸层和热影响层的影响规律。结果显示:能量密度由173J/cm2增加至433J/cm2,重铸层厚度从068μm增加到102μm,热影响层厚度从096μm增加到135μm。针对重铸层的控制,本文实施了对面齿轮齿面的二次加工,实验结果表明:采用能量密度173J/cm2对齿面进行二次加工,加工后的齿面几乎没有重铸物残留,齿面平均粗糙度由0365μm降到了0185μm,有效地改善了面齿轮的加工质量,为提高飞秒激光精微烧蚀面齿轮精度提供了有益参考。     

多脉冲飞秒激光深小孔的加工

利用改进的双温模型理论,表征了多脉冲飞秒激光对厚的金属铝的烧蚀情况,并在实验上予以验证。用有限差分法对飞秒激光在金属铝表面烧蚀过程的温度场进行了三维数值模拟,预测了孔在激光能量密度、脉冲个数、激光束腰半径等不同激光参数作用下的孔径与深度。实验发现,激光能量密度和脉冲个数是影响小孔形貌的主要因素,且多脉冲烧蚀阈值明显低于单脉冲烧蚀阈值。讨论了准贝塞尔光束在最大准直距离内无衍射的特性,分析了贝塞尔光束对于深小孔加工的提升特性。     

纳秒激光对铝合金和不锈钢的烧蚀特性研究

针对激光驱动惯性约束聚变(LICF)装置中靶室常用的几种铝合金和不锈钢材料,采用波长为1064 nm、脉宽为8 ns的基频激光进行烧蚀实验,研究了不同激光能量密度下其质量损失同辐照激光脉冲数的关系,测试了烧蚀深度随激光能量密度增长的关系。研究表明,铝合金在激光能量密度大于1.0 J/cm~2时有明显烧蚀,激光通量为1.2~5.2 J/cm~2时,质量烧蚀速率增长缓慢,平均质量烧蚀速率为2.31±0.89μg/cm~2/shot。铝合金的烧蚀深度随激光能量密度增加而增加,不锈钢的烧蚀深度先增加而后呈下降趋势;铝合金的烧蚀深度明显高于不锈钢的烧蚀深度。基于材料对激光的吸收率明显的不同,分析了其烧蚀机理。该研究对LICF靶室材料的选取及金属的激光打孔、切割等加工有一定的参考意义。     

飞秒激光整形脉冲激发金膜的超快热弛豫特性

在传统双温模型中引入傅里叶热扩散机制,提出了一种时间序列热弛豫模型。数值研究获得了飞秒激光整形脉冲与金膜作用的跨时间尺度(飞秒纳秒)热弛豫特性及温度场时空进化规律,并获得了双温弛豫周期与整形冲间隔的依赖关系。该研究对于澄清飞秒激光与金属作用的超快热弛豫机制,调控飞秒激光微纳加工中的超快加热过程具有重要意义。     

飞秒激光烧蚀金属镍热影响区的数值模拟

为了定量分析飞秒激光金属加工中的热影响,基于一个二维的双温模型,采用有限差分法计算了飞秒激光烧蚀金属镍的径向热影响区.提出一种飞秒激光烧蚀热影响区定义,把热影响区定义为两部分,一部分是熔化再凝固区(晶格温度介于相爆炸温度和熔化温度之间的区域),另一部分是热激活区(晶格温度介于熔化温度和热激活温度之间的区域).通过研究表层晶格不同时刻的径向温度分布,得到飞秒激光烧蚀500nm厚金属镍的径向热影响区是160nm.结果表明,飞秒激光加工的热影响区非常小,可以实现对金属材料的超精密加工.并分析了电子热导率和电子比热容对径向热影响区的影响.     

飞秒激光加工不锈钢微型悬臂梁的工艺研究

为了研究飞秒激光对不锈钢材料的加工工艺,采用基于飞秒激光材料烧蚀的微细加工方法,深入研究了飞秒激光高效高质量微细加工不锈钢材料的工艺条件与参量优化,并应用于微型不锈钢悬臂梁的制作。分析了激光能量密度、激光扫描速度、重复扫描次数对加工形貌和蚀除速率的影响,制作出了高质量的微米量级的不锈钢微型悬臂梁。结果表明,飞秒激光微细加工是一种极具前途与极具柔性的微机电系统器件加工手段。     

飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理分析

为了深入理解超短脉冲激光烧蚀金属的机理,特别是烧蚀过程中靶面电子发射带来的影响,本文分析了飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理,并在此基础上建立了一维热传导双温模型,模型考虑了电子热导率、热容、电子-晶格耦合系数等参数随温度的变化,以及表面热电子发射和多光子电离导致靶面的能量损失。选择波长为 800 nm,FWHM为100 fs,峰值功率密度为1.2×1017 W/m2 的高斯型单脉冲激光辐照铜靶进行数值模拟。并对计算数据进行分析,结果表明:多光子电离所导致的电子发射比热电子发射要强,但是热电子发射持续的时间长;多光子电离导致的电子发射带走的靶面能量比较大,在分析飞秒烧蚀过程中不可忽略。     

双温方程用于飞秒激光烧蚀金属的模拟分析

讨论了双温模型在不同近似下的电子热传导率对于模拟飞秒激光烧蚀金属过程中靶材的电子温度和晶格温度分布的影响,用有限差分法对飞秒激光脉冲烧蚀金属靶的过程的温度场进行了一维数值计算,以铜靶为例给出了靶材电子与晶格温度分布随时间和深度的演化规律并进行了分析,结果表明不同近似下电子热传导率对于模拟温度分布计算结果有着重要的影响。     

高频飞秒激光对硅材料烧蚀的热积累效应

对硅材料飞秒激光损伤进行了数值模拟。首先,在飞秒激光与硅相互作用的双温模型中引入能带电子激发、双光子吸收,俄歇复合等一系列非线性项,通过每一个光场半周期中的麦克斯韦电磁场公式,得出材料中不同时间的光场强度,作为描述材料对光强的响应物质方程的输入项。通过麦克斯韦方程与物质方程间的迭代可以得到烧蚀的硅的一系列参数,如电子浓度、晶格温度等。在此基础上分析了皮秒、亚皮秒量级双脉冲和三脉冲飞秒激光作用下,激光能量密度和脉冲延迟时间对热积累效应的影响。     

飞秒激光抽运-探测法对金纳米薄膜非平衡传热的研究

飞秒激光与金属作用后,电子被瞬间加热,电子温度将远远高于声子温度,并逐渐将能量传递给声子,这种非平衡过程中电子和声子间传热能力由电子-声子耦合系数表征。而到目前为止电子-声子耦合系数是否存在尺度效应还存在争议。采用飞秒激光抽运-探测法对金纳米薄膜非平衡传热过程进行了研究,利用抛物两步模型对实验数据进行拟合。通过对不同厚度的金纳米薄膜的电子-声子耦合系数的比较,研究表明,电子-声子耦合系数随着薄膜厚度的增加而减小。实验结果与已报道的基于电子自由程提出的理论模型所预测的变化趋势相一致。     

304不锈钢板料激光热应力成形试验研究

通过改变激光功率、扫描速度、光斑直径、扫描次数及板料宽度对2 mm厚度的AISI304不锈钢板料进行激光热应力弯曲试验, 分析了各工艺参数对弯曲角度的影响规律, 对工件表面烧蚀情况进行评价, 并对板料金相组织进行观察分析。试验结果表明: 在试验参数范围内激光扫描次数、光斑直径、扫描速度和板料宽度对弯曲角度呈近似线性规律, 而激光功率对弯曲角度的影响不呈线性规律; 较大的面能量密度产生较大的弯曲角度。可通过工艺参数的合理组合在保证板料表面质量的前提下采用较大的面能量密度进行扫描以提高弯曲变形的效率。以上研究为精确控制板料激光弯曲成形奠定基础。     

飞秒激光扫描不同温度下的硅片诱导形成微结构的差别

不同温度下利用钛宝石激光器输出的飞秒激光脉冲(脉宽42fs,中心波长800nm,最大单脉冲能量3.6mJ),通过扫描方式在硅表面诱导产生表面微结构。采用光学显微镜和扫描电镜观察飞秒激光诱导硅表面微结构的形貌,发现不同温度下硅片表面形成的微结构区域和形貌出现明显的差异。根据观测结果,分析比较了不同温度条件下硅材料微结构形成的能量阈值。随着温度升高,形成的微结构区域减小,飞秒激光诱导形成硅表面微结构的能量阈值升高。这对于研究飞秒激光与物质的相互作用有一定的参考价值,也能对将来实现硅表面微结构的制作提供参考。     

激光功率密度对板料激光冲击成形性能的影响

为了研究激光功率密度对铝合金板激光冲击成形性能的影响,采用数值仿真的方法,选用不同激光功率密度对铝合金板进行激光冲击成形数值模拟,获得不同激光功率密度与冲击次数下的板料成形极限,并对不同激光功率密度冲击下板料的成形深度、厚度及应力分布进行了分析。结果表明,板料在中心处容易发生破裂;板料的成形极限与激光功率密度大小成反比,而与激光冲击次数成正比;通过合理选择激光功率密度和冲击次数可提高铝合金板的成形性能。     

InSb光电导太赫兹源材料性质及辐射场研究

为了研究锑化铟(InSb)半导体材料光电导太赫兹辐射过程,用数值计算方法分析材料内载流子迁移率和表面电流,以及不同性质抽运激光器对太赫兹波近场强度的影响,用宏观电磁场理论和微观半导体理论分析材料表面电流,比较了InSb和GaAs材料的太赫兹波功率谱曲线。结果表明,InSb材料载流子弛豫时间越长,载流子迁移率越大;表面电流与载流子寿命和弛豫时间成正比;宏观电磁场理论更适于分析表面电流;抽运激光饱和能量密度越大,太赫兹近场辐射强度越强;抽运激光脉冲宽度越短,太赫兹近场辐射强度越强;InSb光电导辐射太赫兹波功率比GaAs高。该结果为基于InSb光电导太赫兹辐射源的研究奠定了一定的基础。     

多脉冲飞秒激光烧蚀铝靶动态特性研究

利用时间分辨阴影图研究了脉冲能量在200微焦的多脉冲飞 秒激光烧蚀铝靶的动态过程、并使用 扫描电镜研究了靶材表面烧蚀区域的形貌特征。时间分辨阴影图的记录结果表明,在不同时 间延迟条件 下,飞秒激光烧蚀铝靶形成的冲击波体积和喷射物的空间分布均随着脉冲个数的增加而发生 不同程度的变 化,尤其是单脉冲烧蚀情况下在1ns延时阴影图中观察到的近同心圆条纹会随着脉冲数目增 加逐渐变得模 糊乃至消失。烧蚀区的电子扫描显微镜图像清楚地揭示出烧蚀过程中伴随有液态铝的产生, 其溅射凝固后 在靶材表面形成小球和细丝状微纳结构。实验结果进一步证实了由前序脉冲烧蚀导致的铝靶 表面结构的改 变会对后继脉冲的烧蚀产生显著影响,从而使多脉冲烧蚀表现出明显不同于单脉冲烧蚀的特 性。这些结果 对飞秒激光脉冲沉积薄膜、直写生成表面微结构等应用的工艺参数优化具有很好的指导意义 。