本文關鍵詞：超短激光加工藍寶石研究

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【摘要】：藍寶石晶體由于其硬度高、化學穩(wěn)定性好、透光性強等優(yōu)良的物理、化學及光學特性,被廣泛應用于工業(yè)、國防和科研等領域。如被用作高檔表的耐磨損表鏡,半導體材料的外延生長基片及紅外軍用裝置、導彈等的窗口材料,尤其在手機產(chǎn)品上的廣泛應用而再次備受關注。但脆性是藍寶石晶體的致命缺陷,其加工過程極易產(chǎn)生崩邊及裂紋現(xiàn)象,而且由于生長過程復雜,生產(chǎn)成本高,因此對其高質(zhì)量低損耗的加工一直是加工藍寶石的難題。本文針對這一制造領域的難點,比較系統(tǒng)地進行了短波長紫外激光和超短脈沖皮秒激光對藍寶石毛坯片精細加工的實驗研究。論文內(nèi)容主要包括以下幾個部分:(1)介紹了激光與物質(zhì)作用的一般規(guī)律,分析了短波長紫外激光和超短脈沖皮秒激光與藍寶石材料相互作用的理論機理。(2)開展了納秒(~40ns)355nm紫外激光加工藍寶石基片的實驗研究。通過控制單一變量法,研究了納秒紫外激光器功率、掃描速度和掃描次數(shù)對0.55mm厚藍寶石毛坯片加工的基本規(guī)律,并通過激光沖孔的方式確定納秒紫外激光對藍寶石基片損傷的峰值功率密度閾值為0.5×109W/cm2。最后,通過理論模型計算和實際激光刻蝕微槽實驗的對比分析,確定了納秒紫外激光加工藍寶石過程主要為光熱作用去除機理,熱作用限制了其切割藍寶石的質(zhì)量和深度,即使其峰值功率密度達到109W/cm2,也不可實現(xiàn)對藍寶石的圖形切割。(3)開展了1064nm皮秒(~15ps)激光加工藍寶石基片的實驗研究。通過激光沖孔實驗確定了1064nm皮秒激光對藍寶石基片損傷的峰值功率密度閾值為0.5×1012W/cm2,并通過激光掃描刻蝕微槽實驗探究了激光功率、掃描速度和掃描次數(shù)對藍寶石基片的加工規(guī)律,得到工藝參數(shù)的改變對微槽寬度無影響,但掃描次數(shù)的增加有利于提高加工質(zhì)量的實驗結果。結合基礎實驗規(guī)律,進行參數(shù)優(yōu)化,采用分層掃描切割的方法成功在0.55mm厚藍寶石毛坯片上切割出不同形狀、不同尺寸的無崩邊、裂紋等熱現(xiàn)象的高質(zhì)量圖形結構。最后結合實驗結果分析,確定藍寶石材料在皮秒激光作用下可歸結為一種“冷”消蝕的材料去除方式,其在加工藍寶石等硬脆性材料上存在一定優(yōu)勢。
【關鍵詞】：藍寶石基片 納秒紫外激光 皮秒紅外激光 掃描刻蝕微槽 圖形切割
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ164.2;TN249
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-19
• 1.1 研究背景及意義9-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-17
• 1.2.1 短波長紫外激光加工藍寶石基片的研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.2 超短脈沖激光加工藍寶石基片的研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3 課題來源及主要研究內(nèi)容17-19
• 1.3.1 課題來源17
• 1.3.2 本文研究的主要內(nèi)容17-19
• 第2章 激光加工機理19-27
• 2.1 激光與物質(zhì)作用的一般規(guī)律19-21
• 2.2 短波長紫外激光加工藍寶石機理的理論分析21-23
• 2.3 超短脈沖皮秒激光加工藍寶石機理的理論分析23-25
• 2.4 本章小結25-27
• 第3章 實驗材料、方法和裝置27-35
• 3.1 實驗材料27-28
• 3.1.1 藍寶石晶體結構27
• 3.1.2 藍寶石晶體主要的物理性能27-28
• 3.2 實驗設備裝置28-32
• 3.2.1 激光加工系統(tǒng)28-31
• 3.2.2 實驗材料處理及測量儀器31-32
• 3.3 實驗研究方法32-33
• 3.3.1 激光沖孔實驗32
• 3.3.2 激光刻槽實驗32-33
• 3.3.3 激光切割實驗33
• 3.4 本章小結33-35
• 第4章 355nm紫外納秒激光加工藍寶石基片的實驗研究35-43
• 4.1 引言35
• 4.2 紫外激光作用藍寶石的損傷閾值35-36
• 4.3 激光工藝參數(shù)對藍寶石基片微加工的影響及規(guī)律36-40
• 4.4 紫外激光對藍寶石基片加工結果及分析40
• 4.5 本章小結40-43
• 第5章 1064nm皮秒激光加工藍寶石基片的實驗研究43-55
• 5.1 引言43
• 5.2 皮秒激光作用藍寶石的損傷閾值43-44
• 5.3 激光工藝參數(shù)對藍寶石基片微加工的影響及規(guī)律44-49
• 5.3.1 激光平均功率對藍寶石基片加工的影響44-46
• 5.3.2 激光掃描速度對藍寶石基片加工的影響46-48
• 5.3.3 激光掃描次數(shù)對藍寶石基片加工的影響48-49
• 5.4 皮秒激光對藍寶石基片加工結果及分析49-54
• 5.5 本章小結54-55
• 結論55-57
• 參考文獻57-61
• 攻讀碩士學位期間的科研成果61-63
• 致謝63

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本文編號：621541