多种材料的飞秒激光微加工制造及其应用

论文摘要

飞秒激光具有三大特点:极短的脉冲宽度,较宽的光谱范围以及极高的瞬时峰值功率。相较于长脉冲激光（纳秒、皮秒激光）,飞秒激光的加工具有阈值效应明显,热效应弱,溅射物少,加工精度高等特点。因此,飞秒脉冲在微纳加工领域的应用前途?分光明。飞秒激光常见的加工材料主要有金属和介质。两者的区别在于金属有很多自由电子,而介质材料的电子大多处于价带。低功率的飞秒激光一般用来改变晶体材料的光学性质,比如折射率或者是极化方向。高功率激光作用到物质之后,价带的电子吸收多个光子的能量之后可以跃迁到导带形成种子电子,而后通过雪崩电离过程迅速形成大量自由电子,达到一定电子数密度会形成等离子体。同时电子也会把热量传递给晶格,造成晶格的熔化或者库仑爆炸,实现材料的移除。基于上述飞秒激光与物质的作用机理,本文主要研究了基于飞秒激光的多种材料微加工以及应用,主要包含三部分内容:利用飞秒激光冲击强化技术探究对镁合金的强化效果。飞秒激光作用于材料表面产生的高温高压等离子体诱导的冲击波反作用于材料表面,当冲击波的压强超过材料的弹性极限,就会引起塑性形变,引入残余压应力,表层晶粒受力之后出现纳米晶粒层,从而提高材料表面的硬度以及其他属性。本文设立了直接冲击组和约束冲击组,结果表明在空气中直接冲击的效果最优,可以将硬度在原有基础上提高70%。接着比较了飞秒激光和纳秒激光冲击Mg-3Gd合金的强化效果,单脉冲能量为430μJ的飞秒激光和9J的纳秒激光产生的能量密度分别为34.2J/cm2和71.7J/cm2,纳秒实验组的硬度提高了45.1%,低于飞秒实验组的70%。对于飞秒激光来说,微弱的单脉冲能量也可以获得较高的能量密度,而且硬度的强化效果也更为显著,所以飞秒冲击强化相比于纳秒冲击强化有很大的优势。此外探究了单脉冲能量和脉冲的搭接率对于硬度的影响,结果表明同时提高单脉冲能量或者是脉冲搭接率,都可以有效的进一步加强冲击波效果。最后,通过各种微观表征技术,如SEM,XRD,AFM,OM等设备,探究冲击强化处理之后样品表面的演化过程。结果表明飞秒激光直接冲击强化处理可以显著提高表面的粗糙度。金相显微图像显示出冲击波作用过的样品表层出现了晶粒细化现象,这个现象很好地解释了材料表面显微硬度的增强。探究了飞秒激光在硬脆材料氧化铝和氮化铝陶瓷上打孔的效果。首先根据线性回归法结合实验数据推算出氧化铝的烧蚀阈值是6.1 J/cm2,氮化铝的烧蚀阈值是2.7 J/cm2。然后研究不同激光功率下加工的小孔的各项指标,最终总结出相对较为优化的加工功率。对于氧化铝陶瓷,200mW的激光功率加工出的小孔深径比最高,而且小孔出入口的真圆度较高且较为接近,小孔周围的残渣碎屑也相对较少一些;对于氮化铝陶瓷,190mW的飞秒激光脉冲加工的小孔质量最高,有最高的深径比,最小的热影响区域和最小的锥角,唯一的缺陷就是孔径的真圆度不是很高。使用飞秒激光直接在铌酸锂晶体中写出高16μm,宽10μm的II型光波导,波导最小损耗为3.17dB/cm。考虑到飞秒激光可以直写光子晶体和微腔的潜在能力,设计出了一种基于铌酸锂的W1缺陷波导和L2缺陷微腔的新型全光逻辑门。首先介绍了光子晶体的一些基本概念,然后引入光子晶体中缺陷结构的概念。接着,基于铌酸锂介质柱,探究了两种缺陷结构W1缺陷波导和L2缺陷微腔对于光子晶体内部光束的影响。然后设计了基于上述两种缺陷结构的全光逻辑门与门、异或门和非门,其中异或门的消光比可以达到23dB。最后根据上述的两种逻辑门与门和异或门,设计了全光半加器,模拟结果表明可以实现预期的半加器功能。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陆承昊

导师: 陈玉萍

关键词: 飞秒激光,冲击强化,打孔,光子晶体

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 上海交通大学

分类号: TN249

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.002761

总页数: 82

文件大小: 17899K

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