【摘要】：飛秒激光憑借脈沖寬度短、峰值功率高、熱效應(yīng)小、加工分辨率高等區(qū)別于長脈沖激光的優(yōu)勢,在微加工領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)大的生命力,成為近年來人們關(guān)注和研究的焦點。然而,在飛秒激光微加工過程中,由于光斑能量高斯分布,使得激光對材料作用的能量密度不一致,直接導(dǎo)致光斑外邊緣作用區(qū)域的熱效應(yīng)現(xiàn)象明顯,極大影響了該技術(shù)在一些對熱效應(yīng)要求比較苛刻領(lǐng)域的應(yīng)用前景。光束整形技術(shù)可以改變激光能量的空間分布,從而能夠?qū)崿F(xiàn)光斑能量分布的均勻化,不僅可以改善激光微加工過程中的熱效應(yīng),而且對加工表面質(zhì)量的提升也有明顯的效果。目前,常見的光束整形方法有衍射光學(xué)元件、液晶空間光調(diào)制器、非球面透鏡組、微透鏡陣列等。在諸多的手段中,非球面透鏡組具有結(jié)構(gòu)簡單、抗強(qiáng)激光損傷能力強(qiáng)、成本低廉、易于實現(xiàn)等優(yōu)點,非常適合應(yīng)用于飛秒激光微加工系統(tǒng)。然而,以前的大部分工作是對輸出光斑較大的非球面鏡整形系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化,對于適合微加工系統(tǒng)的聚焦型非球面整形系統(tǒng)報道很少。本文研究了具有聚焦功能的非球面整形系統(tǒng)并利用該系統(tǒng)開展了相關(guān)實驗,具體內(nèi)容如下:1.總結(jié)了常見的高斯光束、平頂光束的理論模型,討論了平頂光束在近場和遠(yuǎn)場條件下的傳輸特性,分析了函數(shù)因子對光強(qiáng)分布的影響規(guī)律,模擬了輸出效率與光束均勻性的關(guān)系。2.研究了非球面整形系統(tǒng)的設(shè)計方法,分析并總結(jié)了參數(shù)對開普勒和伽利略型光學(xué)結(jié)構(gòu)中非球面鏡面型的影響規(guī)律,通過最小二乘法擬合得到了符合技術(shù)要求的面型參數(shù)。分析了光學(xué)系統(tǒng)的原理誤差、制造誤差、使用誤差,并給出了容差范圍。根據(jù)設(shè)計結(jié)果搭建實驗平臺,對比了非聚焦型以及聚焦型非球面整形系統(tǒng)的整形結(jié)果,獲得了直徑為60μm的平頂光斑。3.根據(jù)實驗需要,搭建了飛秒激光微加工實驗系統(tǒng),利用該系統(tǒng)對金屬鈦、鈦合金、藍(lán)寶石材料進(jìn)行飛秒激光微加工實驗驗證。對比了高斯光束和平頂光束條件下的加工效果,分析了光斑能量分布對加工結(jié)果的影響。實驗結(jié)果表明,飛秒激光微加工過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)是影響加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。與高斯光束相比平頂光束能夠有效控制加工過程的熱效應(yīng)范圍,改善由于熱累積導(dǎo)致的氧化現(xiàn)象。同時還可以發(fā)現(xiàn),采用平頂激光加工的材料表面平整度較高、不易產(chǎn)生重鑄層和微裂紋,在同等條件下其加工結(jié)果優(yōu)于高斯光束的加工結(jié)果。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN249

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本文編號：2526833