【摘要】：飛秒激光加工是一種高精度微納加工方法,而被加工物體的燒蝕加工深度實(shí)時(shí)檢測(cè)是加工過(guò)程中的一個(gè)技術(shù)難題。已有研究證明微結(jié)構(gòu)的單層加工深度主要由激光燒蝕功率、加工速度及進(jìn)給量決定,燒蝕功率的判定可以一定程度上估算出加工深度。用飛秒激光燒蝕單晶硅材料時(shí)會(huì)伴隨衍生等離子體發(fā)光現(xiàn)象,為了探究等離子體光斑特征與燒蝕功率的關(guān)系,對(duì)光斑圖像進(jìn)行特征提取及分析,可用于實(shí)現(xiàn)不同燒蝕功率下的飛秒激光等離子體光斑圖像的分類識(shí)別。針對(duì)等離子體光斑圖像信噪比低、光斑邊緣與背景區(qū)域?qū)Ρ榷炔幻黠@的特點(diǎn),選定彩色空間混合濾波結(jié)合主成分增強(qiáng)的方法獲得對(duì)比度強(qiáng)、有效區(qū)域明顯的光斑圖像,濾除了光斑拖尾消散部分。對(duì)所得光斑圖像的第一主成分進(jìn)行偽彩色處理分析光斑能量分布,并依據(jù)能量分布獲取所需光斑區(qū)域。采用主成分提取的分割方法獲得完整光斑圖像,分析得到的光斑區(qū)域的幾何特征,發(fā)現(xiàn)燒蝕功率相同的光斑幾何特征有較強(qiáng)一致性。通過(guò)閾值門(mén)限分割獲取光斑核心燒蝕區(qū),提取其質(zhì)心和長(zhǎng)短軸,用于判斷加工方向。用Niblack分割得到的二值圖掩模光斑亮度分量獲取有效亮度信息并提取亮度特征,發(fā)現(xiàn)光斑總亮度具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性,與燒蝕功率的相關(guān)系數(shù)大于0.8,可用于激光燒蝕功率的識(shí)別。將光斑幾何特征和亮度特征組成六維特征矩陣,通過(guò)流形學(xué)習(xí)降維分析其聚類效果,表明選取特征的有效性和實(shí)現(xiàn)光斑分類的可行性。最后搭建流形學(xué)習(xí)結(jié)合極限學(xué)習(xí)機(jī)的分類模型,可以在0.0027秒的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)正確率97.3%的光斑圖像分類。圖32幅;表4個(gè);參54篇。
【圖文】：

內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自聚焦，使脈沖的低功率部分光斑面積變大，高功率部分聚焦。然后脈沖在諧振腔往返通過(guò)光闌，借助光闌將光斑大的低功率部分濾除，剩余的高功率部分脈沖時(shí)間不斷縮短，獲得脈寬很窄的激光脈沖。飛秒激光器的發(fā)展不僅僅是脈沖寬度縮小的過(guò)程，還包括激光能級(jí)的放大。啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification, CPA)技術(shù)是將超短激光脈沖放大至 TW 級(jí)別的關(guān)鍵技術(shù)。小能級(jí)的飛秒脈沖對(duì)實(shí)際加工意義不大，為了獲得高能量的飛秒激光脈沖需要借助能量放大器放大其能級(jí)。然而受到放大器材質(zhì)的限制，，直接獲得高能級(jí)的飛秒脈沖產(chǎn)生的高熱會(huì)燒毀放大器內(nèi)部的光學(xué)元件，所以放大后的能量要在光學(xué)元件的破壞閾值范圍內(nèi)。因而在提高放大效率的同時(shí)，還要考慮增益飽和問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題 1985 年 Strickland 和 Mourou 提出了 CPA 技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損高效的獲得大能級(jí)的超快脈沖。CPA 技術(shù)是一種飛秒激光脈沖展寬放大及壓縮技術(shù)，主要包括飛秒激光脈沖的展寬、放大及壓縮環(huán)節(jié)，如圖 1 所示[6]。初始短脈沖第一對(duì)光柵分散光譜展寬環(huán)節(jié)

圖 2 納秒燒蝕(a)和飛秒燒蝕(b)Fig.2 Comparison of the ns-ablation (a) and the fs-ablation (b)對(duì)于加工制造領(lǐng)域，激光燒蝕與傳統(tǒng)銑削相比具有出明顯的優(yōu)勢(shì)。由于其冷燒蝕的特性，飛秒激光加工僅消融焦點(diǎn)處的材料，不會(huì)對(duì)材料的其他區(qū)域造成損傷，理論上可以做到加工無(wú)碎屑，提高了加工精度。同時(shí)，由于非接觸的特點(diǎn)加工樣品沒(méi)有受到力的作用，在加工過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。已經(jīng)有非常多的成果證明飛秒脈沖激光器作為一種特殊的加工工具有著杰出的表現(xiàn)。吳運(yùn)龍采取借助超快激光脈沖在單晶硅表面誘導(dǎo)新型納米微結(jié)構(gòu)的手段，從多個(gè)層次分析了飛秒激光與凝聚物質(zhì)相互作用的物理機(jī)制[10]。陳戰(zhàn)東則從表面改性的角度分析了飛秒激光改性硅表面的物理過(guò)程，并對(duì)生成的微納結(jié)構(gòu)和表面特性進(jìn)行了深入的研究[11]。Gang Chang 在研究工作中引入了一個(gè)名為激光有效燒蝕區(qū)(LAV)的概念，用來(lái)描述激光加工工具的“形狀”[12]。研究 LAV 的空間結(jié)構(gòu)是為了給微加工過(guò)程中分辨率控制和深度變化提供理論依據(jù)。預(yù)先設(shè)置參數(shù)來(lái)確定 LAV 的形狀和尺寸。試驗(yàn)驗(yàn)證了基于 LAV 的形狀的計(jì)算模型采用不同的移動(dòng)路徑和移動(dòng)速度組合，
【學(xué)位授予單位】：華北理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP391.41;TN249;TP181

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2641107