本文關(guān)鍵詞：飛秒激光脈沖在金屬材料上誘導(dǎo)形成表面周期性結(jié)構(gòu)的實驗研究

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【摘要】：在過去幾年里，飛秒激光由于其獨(dú)特的加工優(yōu)勢已經(jīng)被證明為一種非常有前景的加工方法，，尤其是加工金屬、電介質(zhì)以及半導(dǎo)體等固體材料。因為飛秒激光加工具有很短的熱持續(xù)時間以及快速的固-汽相轉(zhuǎn)變機(jī)制，因此可以限制加工過程中的熱擴(kuò)散現(xiàn)象，從而實現(xiàn)高質(zhì)量、高精度、高效率的微納加工。本文的研究目的是基于電子動態(tài)調(diào)控的思想，使用飛秒激光單脈沖以及飛秒激光脈沖序列加工金屬鋁和銅，研究了在金屬表面誘導(dǎo)加工的微納結(jié)構(gòu)的形貌以及質(zhì)量與激光參數(shù)之間的依賴關(guān)系，并比較了飛秒激光單脈沖和飛秒激光脈沖序列在控制金屬上微納結(jié)構(gòu)形貌及質(zhì)量上的差異。本論文的創(chuàng)新點(diǎn)以及主要研究結(jié)果概括如下： （1）采用飛秒激光單脈沖在金屬鋁表面誘導(dǎo)形成表面周期性結(jié)構(gòu)，實驗分析發(fā)現(xiàn)：隨著激光脈沖個數(shù)的增加，鋁表面周期性結(jié)構(gòu)的形貌逐漸清晰、質(zhì)量逐漸變好，但是波紋的周期隨著脈沖個數(shù)的增加幾乎保持不變；當(dāng)激光能量密度增加時，金屬鋁表面燒蝕區(qū)域的面積有明顯的增加，并且波紋的周期也隨著能量密度的增加而變大，初步認(rèn)為是由于材料表面自由電子密度增大的原因。 （2）通過使用脈沖序列對電子激發(fā)、電子密度、電子復(fù)合以及電子電離等電子狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控，可以有效的控制加工結(jié)構(gòu)的尺寸。即增加雙脈沖之間的時間間隔可以使燒蝕區(qū)域尺寸明顯減小。另外，使用脈沖序列在金屬銅表面掃描加工可以獲得高質(zhì)量、高均勻性、高清晰性的大面積波紋結(jié)構(gòu)，得出脈沖序列控制大面積結(jié)構(gòu)的形貌以及質(zhì)量比單脈沖加工更有效。這種基于電子狀態(tài)調(diào)控的脈沖序列加工技術(shù)為高精度、高效率、高質(zhì)量的加工提供了一種可靠的加工方法。 （3）利用飛秒激光單脈沖加工金屬銅，實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)保持激光能量密度不變時，銅表面燒蝕區(qū)域直徑隨著脈沖個數(shù)的增加而增大，而脈沖個數(shù)相同時，燒蝕區(qū)域直徑隨著激光能量密度的增加而增加。激光燒蝕金屬銅表面的熱影響區(qū)深度隨脈沖個數(shù)的增加而增加，而隨著激光能量密度的增加而減小。另外，在銅表面燒蝕坑壁上形成了交叉的波紋結(jié)構(gòu)，對于交叉結(jié)構(gòu)形成的機(jī)理給予初步解釋。研究還發(fā)現(xiàn)利用飛秒激光單脈沖在銅表面加工大面積波紋結(jié)構(gòu)時，波紋結(jié)構(gòu)的形貌隨著掃描速度的增加逐漸變得模糊，即波紋結(jié)構(gòu)的形貌和掃描速度密切相關(guān)。
【關(guān)鍵詞】：飛秒激光 表面周期性結(jié)構(gòu) 脈沖序列 金屬材料
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG174.4;TN249
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目錄8-11
• 第1章 緒論11-23
• 1.1 課題背景11-17
• 1.1.1 飛秒激光11-12
• 1.1.2 飛秒激光微加工的實驗研究12-16
• 1.1.3 與本課題的聯(lián)系16-17
• 1.2 課題意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-20
• 1.2.1 課題意義17-18
• 1.2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-20
• 1.3 本課題的研究內(nèi)容20-23
• 1.3.1 研究內(nèi)容20-21
• 1.3.2 文章簡介21-23
• 第2章 飛秒激光與材料相互作用的理論基礎(chǔ)23-33
• 2.1 飛秒激光燒蝕材料的物理過程23-24
• 2.2 激光與固體材料的相互作用24-25
• 2.2.1 激光的加熱過程24-25
• 2.2.2 表面效應(yīng)25
• 2.3 超快激光與材料相互作用多尺度模型25-27
• 2.4 超短激光與材料相互作用的量子模型27-29
• 2.4.1 超短激光與原子、分子和團(tuán)簇相互作用的量子模型27-28
• 2.4.2 超短激光與晶體材料相互作用的量子模型28-29
• 2.5 等離子體模型29-30
• 2.5.1 電子的電離與熱化29-30
• 2.5.2 光學(xué)特性30
• 2.6 改進(jìn)的雙溫模型30-31
• 2.7 本章小結(jié)31-33
• 第3章 飛秒激光誘導(dǎo)表面周期性結(jié)構(gòu)的原理及其實驗系統(tǒng)33-43
• 3.1 引言33
• 3.2 周期性結(jié)構(gòu)形成的機(jī)制33-35
• 3.3 實驗裝置和設(shè)備35-39
• 3.3.1 飛秒激光系統(tǒng)35-36
• 3.3.2 飛秒激光實驗系統(tǒng)的搭建36-37
• 3.3.3 CCD 實時監(jiān)測系統(tǒng)37
• 3.3.4 六自由度精密移動平臺37-39
• 3.4 脈沖整形系統(tǒng)39-42
• 3.4.1 脈沖整形器39
• 3.4.2 脈沖整形系統(tǒng)的構(gòu)成39-40
• 3.4.3 基于 MIIPS 方法的飛秒激光脈沖壓縮的原理40-41
• 3.4.4 飛秒激光脈沖序列產(chǎn)生的原理41-42
• 3.5 本章小結(jié)42-43
• 第4章 飛秒激光在鋁表面誘導(dǎo)形成表面周圍性結(jié)構(gòu)43-55
• 4.1 飛秒激光脈沖加工實驗平臺43-44
• 4.2 飛秒激光單脈沖加工金屬鋁44-51
• 4.2.1 確定材料的燒蝕閾值44-45
• 4.2.2 脈沖個數(shù)對加工的影響45-49
• 4.2.3 能量密度對加工的影響49-51
• 4.3 飛秒激光脈沖序列加工金屬鋁51-53
• 4.4 本章小結(jié)53-55
• 第5章 飛秒激光脈沖微加工金屬銅55-65
• 5.1 飛秒激光單脈沖微加工金屬銅55-60
• 5.1.1 對燒蝕尺寸的影響56-58
• 5.1.2 激光誘導(dǎo)銅表面結(jié)構(gòu)形貌的演化58-60
• 5.2 飛秒激光在金屬銅表面加工大面積結(jié)構(gòu)60-63
• 5.2.1 掃描速度對金屬銅表面大面積結(jié)構(gòu)形成的影響60-61
• 5.2.2 激光能量密度對金屬銅表面大面積結(jié)構(gòu)形成的影響61-62
• 5.2.3 包含兩個子脈沖的脈沖序列時間間隔對大面積結(jié)構(gòu)形貌的影響62-63
• 5.3 本章小結(jié)63-65
• 結(jié)論65-69
• 參考文獻(xiàn)69-79
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單79-81
• 致謝81

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前5條

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本文編號：759715