【摘要】：隨著微機電系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用,微觀力學(xué)的研究日益成為熱點。光測力學(xué)測量方法具有非接觸、全場性、高精度等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用到不同領(lǐng)域的材料和結(jié)構(gòu)的變形測量中。光柵作為變形測量中重要的傳感元件,它的制備一直備受關(guān)注。因此,如何準確定位到測量區(qū)域并快捷地制備光柵成為了重要的問題。不同的制柵方法有不同的優(yōu)點和局限性。激光具有非常高的瞬時功率,熱影響區(qū)小,具有很高的微加工質(zhì)量和精度。同其他制作光柵方法相比,激光刻蝕省去了制作模板與顯影等工序,可以直接刻蝕,制作面積可調(diào)節(jié),且定位準確。本論文分別采用納秒激光和飛秒激光,系統(tǒng)的研究了微尺度光柵制備方法。主要研究內(nèi)容如下:(1)研究了基于光柵的幾何相位法(GPA)和掃描電子顯微鏡(SEM)云紋法,用于不同頻率與面積的光柵結(jié)構(gòu)表征。推導(dǎo)并模擬驗證了基于相位的二維傅立葉變換的光柵頻率表征方法。建立了SEM云紋法中放大倍數(shù)和參考柵頻率的關(guān)系。(2)研究了納秒激光制作微尺度光柵方法。從基本的刻蝕線段入手,對比分析了不同材料的加工情況,得出不同材料的能量密度閾值。提出了先鍍膜再進行刻蝕光柵的加工工藝,解決了激光對材料的選擇性問題。通過光柵的高斯能量與距離的關(guān)系,進一步分析了納秒激光制作光柵的過程。在鋁膜上制作出了頻率為10線/mm的水平和正交光柵,光柵結(jié)構(gòu)規(guī)則,節(jié)距穩(wěn)定,可用于光學(xué)測量。(3)研究了飛秒激光制作微尺度光柵方法。采用飛秒激光刻蝕系統(tǒng),在石英玻璃試件表面刻蝕光柵。研究了飛秒激光刻蝕點和線段的基礎(chǔ)參數(shù),分別刻蝕出直徑為1?m的點和線段。分析了光柵加工機理,制作了頻率為500線/mm的平行光柵。光柵頻率表征分析表明,制作光柵的節(jié)距的最大誤差為0.95%。飛秒激光制作的微尺度光柵可用于SEM云紋作表面結(jié)構(gòu)表征及變形測量。(4)采用納秒激光在鍍膜試件上制作了微尺度光柵,并成功地進行了水平拉伸實驗和V形裂紋拉伸實驗。實驗表明,采用納秒激光可以將光柵方便地制作在試件表面微區(qū)上,結(jié)合光學(xué)測量方法可以實現(xiàn)微尺度的變形測量。
[Abstract]:With the development and application of micro-electromechanical system, the research of micro-mechanics has become a hot spot. Because of its advantages of non-contact, full-field and high precision, the method of photomechanical measurement has been widely used in deformation measurement of materials and structures in different fields. Grating, as an important sensor in deformation measurement, has attracted much attention. Therefore, how to locate the measurement area accurately and fabricate grating quickly has become an important problem. Different gate making methods have different advantages and limitations. Laser has very high instantaneous power, small heat affected zone, high quality and precision of micromachining. Compared with other grating fabrication methods, laser etching eliminates the process of making template and development, can be directly etched, the fabrication area can be adjusted, and the location is accurate. In this paper, nanosecond laser and femtosecond laser are used to fabricate micro-grating systematically. The main contents are as follows: (1) the geometric phase method (GPA) based on grating and scanning electron microscope (SEM) moire method are studied to characterize the structure of grating with different frequency and area. The method of grating frequency representation based on phase-based two-dimensional Fourier transform is deduced and simulated. The relationship between the amplification ratio and the reference gate frequency in SEM moire method is established. (2) the nanosecond laser fabrication method for micro-scale grating is studied. Starting with the basic etching line segments, the processing conditions of different materials are compared and analyzed, and the energy density threshold of different materials is obtained. The process of etching grating first by coating is put forward, and the problem of laser selectivity to materials is solved. The process of nanosecond laser grating fabrication is further analyzed by the relationship between Gao Si energy and distance of grating. Horizontal and orthogonal gratings with a frequency of 10 lines / mm have been fabricated on aluminum film. The grating structure is regular and the pitch is stable. (3) the fabrication method of micro-scale grating by femtosecond laser is studied. Femtosecond laser etching system was used to etch the grating on the surface of quartz glass specimen. The fundamental parameters of femtosecond laser etching point and line segment are studied. The processing mechanism of the grating is analyzed, and the parallel grating with a frequency of 500-wire / mm is fabricated. The analysis of the grating frequency shows that the maximum error of the pitch distance of the grating is 0.95. The micro-scale grating fabricated by femtosecond laser can be used to characterize the surface structure and measure the deformation of SEM moire. (4) the micro-scale grating is fabricated by nanosecond laser on the coated sample. The horizontal tensile test and V-shaped crack tensile test were successfully carried out. The experimental results show that the grating can be conveniently fabricated on the surface of the specimen by nanosecond laser, and the deformation measurement on the micro scale can be realized by combining the optical measurement method.
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN25;TN249

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本文編號：2407464