多焦点激光分离脆性透射材料机理及关键技术研究

论文摘要

脆性透射材料是应用广泛的功能性材料。其中,KDP晶体是我国“激光惯性约束聚变点火工程（神光计划）”所必须材料。同时,其他种类的脆性透射材料,如玻璃材料、夹层玻璃材料等,也在建筑、汽车、船舶、航空航天、军事、光学等领域中具备极其广泛的应用。然而,现阶段脆性透射材料切割分离往往采用机械方法完成,面临切割质量差、切割速度慢、切割损耗高、切割工艺流程繁琐等一系列问题。针对以上问题,本文创新性采用多焦点激光技术进行多种脆性透射材料的切割分离,解决现阶段脆性透射材料切割所面临的瓶颈问题。本文系统地研究了多焦点激光分离脆性透射材料机理及关键技术,并完成了多焦点激光光学系统设计、理论建模、有限元数值模拟分析、实验等一系列研究,取得的主要成果如下:（1）系统地研究了2种多焦点激光—衍生多焦点激光和可调式多焦点激光产生机理及相关光学系统设计过程。衍生多焦点激光产生基本原理为将待分离脆性透射材料放置于前后两个凹面聚焦反射镜之间,且激光束被前后凹面聚焦反射镜来回反射,并不断穿过脆性透射材料;在此过程中,激光束被不断聚焦和发散,从而在脆性透射材料内部沿厚度方向产生多个激光焦点。可调式多焦点激光产生基本机理为使用一系列中心带有小孔的聚焦镜组成可调式多焦点激光光学系统;当激光束穿过可调式多焦点激光光学系统后,会被各个聚焦镜上的小孔分为不同的部分,并分别被不同数量的聚焦镜聚焦,获得不同的焦距,从而可以沿激光光轴方向产生多个激光焦点。此2种方法均可在脆性透射材料内部产生多个激光焦点。此外,通过搭建多焦点激光光学平台,从理论和实验上验证了多焦点激光光学系统设计的正确性和可行性。（2）建立了多焦点激光分离脆性透射材料过程的有限元模型。首先对多焦点激光在脆性透射材料内部所产生的激光焦点进行数值建模,从而完成多焦点激光在脆性透射材料内部所产生的光场建模,并由此获得多焦点激光在脆性透射材料内部的热源模型。通过有限元分析软件（ANSYS）,结合热源模型,获得多焦点激光分离脆性透射材料过程中温度场和应力场分布有限元模型,进而完成多焦点激光切割分离脆性透射材料的机理分析,即激光焦点所产生的热拉应力是切割分离的关键。（3）进行了大尺寸KDP晶体材料衍生多焦点激光分离技术理论分析及实验研究,在国内外首次完成了厚度为50 mm的大尺寸KDP晶体高质量激光分离。其分离厚度至少为现有激光晶体切割技术的4倍;其切割速度达200μm/s,至少为传统机械切割方法的20倍。同时,获得了极高的切割质量,切割分离表面粗糙度达10.857 nm,切割平整度达3.5389μm,并且无任何的表面污染、表面损伤以及边沿破损等切割分离缺陷。（4）进行了玻璃材料可调式多焦点激光分离技术理论分析及实验研究,成功完成了厚度为20 mm的钠钙玻璃材料的高质量分离。其切割厚度为传统激光切割方法的2-4倍,且其切割分离表面平整光滑,无任何微裂纹、亚表面损伤、崩边或波纹等切割分离缺陷,表面粗糙度为1.6 nm,达镜面标准。同时,采用同一套光学系统,完成了厚度为10 mm的钠钙玻璃和超白玻璃材料的高质量分离,从而证明了可调式多焦点激光光学系统的可调节性。理论分析和实际实验成功地证明了可调式多焦点激光切割玻璃材料的可行性及可靠性。（5）进行了多焦点激光复合分离夹层玻璃材料技术理论分析及实验研究。此方法采用复合切割机理完成夹层玻璃材料的一次性分离。对于夹层玻璃的2个玻璃层,采用激光焦点产生热应力机理分离;对于夹层玻璃的PVB层,采用激光焦点高温熔化机理分离。同时,进行实验研究,完成可调式多焦点激光一次性高质量切割分离夹层玻璃材料（厚度为5+0.38+5 mm）,且切割分离表面平整光滑（玻璃层表面粗糙度达10.24nm）,无任何如微裂纹、表面损伤、破损等切割分离缺陷,并可将夹层玻璃材料切割分离工艺流程从5步骤简化为2步骤,从而极大地提高夹层玻璃材料的切割质量及效率。基于以上的多焦点激光切割各类脆性透射材料理论分析及实验研究,证明多焦点激光切割分离脆性透射材料技术可以获得极高的切割质量并可简化工艺流程,具有极强的科学意义与实际应用前景。

论文目录

摘要

Abstract

1.绪论

1.1 引言

1.2 KDP晶体切割分离技术现状

1.3 玻璃材料切割分离技术现状

1.4 夹层玻璃材料切割分离技术现状

1.5 课题来源、研究目的、主要研究内容及创新点

2.多焦点激光形成原理及光学系统设计

2.1 前言

2.2 衍生多焦点激光形成原理及光学系统设计

2.3 可调式多焦点激光形成原理及光学系统设计

2.4 本章小结

3.大尺寸KDP晶体衍生多焦点激光分离技术理论研究

3.1 前言

3.2 衍生多焦点激光分离大尺寸KDP晶体基本原理

3.3 超快激光与KDP晶体相互作用机理分析

3.4 衍生多焦点激光分离KDP晶体数学建模

3.5 衍生多焦点激光分离KDP晶体温度场及应力场有限元分析

3.6 本章小结

4.大尺寸KDP晶体衍生多焦点激光分离技术实验研究

4.1 前言

4.2 飞秒激光预处理大尺寸KDP晶体实验

4.3 实验平台、实验材料及检测仪器

4.4 衍生多焦点激光分离大尺寸KDP晶体实验与结果

4.5 衍生多焦点激光分离大尺寸KDP晶体影响因素分析

4.6 本章小结

5.玻璃材料可调式多焦点激光分离技术研究

5.1 前言

5.2 可调式多焦点激光分离玻璃材料基本原理

5.3 实验平台、实验材料及检测仪器

5.4 可调式多焦点激光分离不同厚度和材质玻璃材料实验研究

5.5 可调式多焦点激光分离玻璃材料质量影响因素分析

5.6 可调式多焦点激光分离玻璃材料温度场及应力场有限元模拟分析

5.7 本章小结

6.多焦点激光复合分离夹层玻璃材料技术研究

6.1 前言

6.2 多焦点激光复合分离夹层玻璃材料基本原理

6.3 实验平台、实验材料及检测仪器

6.4 多焦点激光复合分离夹层玻璃材料实验与结果

6.5 多焦点激光复合分离夹层玻璃材料质量影响因素分析

6.6 多焦点激光复合分离夹层玻璃材料温度场及应力场有限元模拟分析

6.7 本章小结

7.全文总结

7.1 主要结论

7.2 研究展望

致谢

参考文献

附录Ⅰ 攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘朋

导师: 段军

关键词: 激光加工,切割分离,多焦点激光,脆性透射材料,光学设计,数值模拟

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 华中科技大学

基金: 国家自然科学基金项目“多焦点激光诱导分离脆性透射材料机理及关键技术的研究(项目编号:51675205)”,国家自然科学基金项目“KDP晶体激光无损镜面加工机理及关键技术研究(项目编号:51475182)”,国家自然科学基金项目“双激光束分离KDP单晶机理的研究(项目编号:51175205)”

分类号: TB34;TN249

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004456

总页数: 154

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