超快激光材料微孔加工与切割实验报告
超快激光材料微孔加工与切割实验报告
机械42 张刘锋 2014010494
一、 实验目的
1） 了解飞秒激光的基本特性
2） 熟悉飞秒激光微孔加工的方法
3） 了解飞秒激光在材料切割方面的优缺点
二、 实验设备
1） 飞秒激光器（脉冲50fs，波长800nm）及其光路
2） 电控快门
3） 光学显微镜
4） 三位精密电控移动平台及控制系统
5） 10mm*10mm*1mm的JGS2型石英玻璃片
6） 100微米厚的不锈钢片
7） Olympus光学显微镜
三、 微孔加工实验内容
1） 打开激光器，用功率计测量出光口处激光的功率是否正常。
2） 用吹嘴吹掉反射镜表面的灰尘，检查光路是否正确。
3） 准备试样，并用压缩空气吹除试样表面灰尘，保证试样上下表面无附着物。
4） 将石英玻璃放置在水辅助专用实验台上，再将其放置在三维移动台上，找好焦点位置，
选取适当参数分别用水辅助与非水辅助方式加工微孔。
5） 关掉快门，停止移动三维平台。
6） 按照类似步骤进行不锈钢薄片切割实验，比较不同参数下实验结果；
7） 实验完毕后关闭快门控制柜和三维移动平台控制系统，测量出光口激光的功率是否正常，
关闭激光器。对实验中加工的微孔在显微镜下进行观测，讨论、总结不同工艺参数对微
孔加工的影响。
四、 实验数据整理
1、 原始数据如下所示：
表1、实验原始数据记录表 偏振片角度 激光功率 不锈钢微孔直径 玻璃微孔直径
190° 21mW 20.2um 9.8um
200° 68 mW 30.2 um 12.6 um
210° 169 mW 43.2 um 21.3 um
220° 268 mW 49.9 um 22.6 um
230° 319 mW 52.5 um 25.2 um
2、 数据处理后的结果如下图所示：
图1、不锈钢激光功率和微孔直径关系图
图2、石英玻璃激光功率和微孔直径关系图
五、 思考题
1） 什么是超快激光？简述超快激光的特点
答：飞秒激光是指脉冲宽度在飞秒量级及以下的激光。飞秒激光具有极短的脉冲宽度、极高的能量峰值和加工过程中强烈的非线性效应。飞秒激光加工时间短，热影响区小，加工
质量高。可实现三维空间内任意形状的加工。
2） 为何飞秒激光能够利用阈值效应进行加工
答：首先飞秒激光的波长较长，电子吸收单光子后不能够发生跃迁，但是飞秒激光脉冲
宽度很短导致每个脉冲内含有大量的光子，这样就可以诱发材料的双光子吸收行为，这样就
为飞秒激光利用阈值效应加工提供了可能。
3） 列举激光实验安全注意事项
答: 1) 进激光室前必须佩戴 1 号防护眼镜，并换上专用拖鞋和防护服，同时摘
掉身上所有反光的东西（手表、项链、戒指、钥匙等）。出激光室前不
要摘下防护装置。
2) 未经实验负责人员同意，不要亲自操作激光平台上的任何设备。
3) 任何时候眼睛不要面对光束的传播方向（比如不要蹲下正对着激光观察
准直）。避免直视激光器出光口、反射镜等一切可能射出激光的位置。
4) 弯腰捡东西时，要背对着激光，起身时也要背对激光。
5) 实验过程中不可随意打开激光室的门，除非经实验负责人同意。
6) 所有人员不可坐下进行实验。
激光微孔加工中调节孔锥度的算法研究
第４２卷 第３期 ２０１２年３月 激光与红外 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ Ｖｏ１．４２，Ｎｏ．３ Ｍａｒｃｈ，２０１２
文章编号：１００１－５０７８（２０１２）０３－０２６３－０５ ・激光应用技术・
激光微孑Ｌ加工中调节孔锥度的算法研究
于 洵 ，张 晓 ，程光华 （１．西安工业大学光电学院，陕西西安７１００３２； ２．中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西西安７１０１ １９）
摘 要：基于超快激光倒锥孔微加工技术需要，提出了一种利用电光晶体的电光偏转原理调节
光束产生动态精密微位移的方法。通过四块楔形电光晶体的特定方式组合，调节施加在电光 晶体上的电压大小，可使出射光束产生动态的横向位移。在此方法的基础上施加旋转运动，可 实现激光加工锥度可控的倒锥孔。本文介绍了横向位移的产生方法，分析了产生最大横向位
移的影响参数，举例使用ＫＤＰ，Ｄ—ＫＤＰ，ＲＴＰ等电光晶体，讨论了不同长度下，所产生的动态 横向微位移范围。入射光束直径３ ｍｍ，电光晶体厚度３ ｍｍ，宽度３０ ｆｉｌｍ，总长为２１０ ｍｍ，楔 角 为０．３ ｒａｄ，调节电压从０～９００００ Ｖ时，Ｒ１Ｐ电光晶体可产生０—７００ ｍ的动态横向
位移。 关键词：激光微加工；电光效应；倒锥孔；光楔
中图分类号：ＴＮ２４９ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１．５０７８．２０１２．０３．００５
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｏｆ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｔａｐｅｒ ｉｎ
ｌａｓｅｒ ｍｉｃｒｏ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
ＹＵ Ｘｕｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ ，ＣＨＥＮＧ Ｇｕａｎｇ—ｈｕａ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ ａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ａｎ ７１００３２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ ａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｘｉ ａｎ ７１０１１９，Ｃｈｉｎａ）
飞秒激光微加工的研究进展
飞秒激光微加工的研究进展
顾理;孙会来;于楷;赵方方
【摘 要】The article reviews the progress of micro-fabrication by
femtosecond laser at home and abroad in recent years. Femtosecond laser
pulses have undergone through the laboratory process to become a useful
tool for material mi-cro-nano-processing in industrial field. In this paper,
we introduce the process of femto-second laser precise micro-nanofabrication. Two different fabrication mechanisms are described which
are laser ablation and two photo polymerization. Finally,the existing
problems and future development of micro-manufacture by femtosecond
laser are discussed.%综述了近年来国内外利用飞秒激光微加工的研究进展.飞秒激光脉冲作为材料微纳加工的一项工具,已经从实验室进入到工业化阶段.介绍了飞秒激光在微纳加工领域的一些研究情况,分别就飞秒激光烧蚀微加工以及双光子聚合加工进行了阐述.最后分析了飞秒激光微加工目前存在的问题及未来发展的主要方向.
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2013(043)001
【总页数】5页(P14-18)
【关键词】飞秒激光;微加工;烧蚀;双光子聚合
微孔加工方法
微孔加工方法
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微孔加工方法
在孔加工过程中， 应防止出现孔径扩大、孔直线度过大、工件表面粗拙度差及钻头过快磨损等问题， 以防影响钻孔质量和增大加工成本，应尽量保证以下的技术要求 : ①尺寸精度：孔的直径和深度尺寸的精度；②形状精度：孔的圆度、圆柱度及轴线的直线度；③地点精度：孔与孔轴线或孔与外圆轴线的同轴度； 孔与孔或孔与其余表面之间的平行度、垂直度等。
同时，还应当考虑以下 5个因素:
1. 孔径、孔深、公差、表面粗拙度、孔的构造； 2. 工件的构造特色，包含夹持的稳固性、悬伸量和展转性；
3. 机床的功率、转速冷却液系统和稳固性；
4. 加工批量；
5. 加工成本。
深孔加工：一般把长径比 L( 孔深与孔径比 ) 大于 5 的孔称为深孔。
深孔加工比一般孔的加工要困难和复杂，其原由是：
1. 因为孔深与孔径比较大，刀具细而长、刚性差，所以在钻孔时简单偏斜，产生振动，使得孔的表面粗拙度和尺寸精度不易保证。
2. 钻削时排屑困难。
3. 热量不易排出， 钻头散热条件差，使得刀具磨损加剧，甚至丧失切削能力。 微孔加工方法
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机械钻削加工
一、 HSS-E（高性能高速钢）钻头
因为长钻头自己的稳固度不好， 所以在加工过程中一定采纳较低
的切削参数，而 HSS较低的红硬性也要求进一步降低其切削速度。 因
此，在深孔加工中，外面的冷却液很难抵达刀具的切削刃上，钻尖处
实质进行着干加工， 所有这些因素的综合致使了深孔加工需要很长的
加工周期。
二、枪钻
硬质合金头枪钻能够实现精准而安全的孔加工， 即便是在进行超
常深孔的加工状况下也是这样。切削液被加压泵打入钻杆内 ( 压力约
为 3MPa-8MPa)，而后流过切削刃，当切削液沿着刀具和零件孔壁间的 V形截面空间流出时，将切屑带走。因为钻杆是空心轴，刚性差，不可以采纳较大的进给量，因今生产效率较低；同时，切屑一定保持小而薄的形状，才能保证被冷却液冲出；别的，因为枪钻加工中高压冷
飞秒激光脉冲烧蚀涡轮叶片材料的仿真和实验
飞秒激光脉冲烧蚀涡轮叶片材料的仿真和实验
崔波;宫金良;王志文
【摘 要】为研究飞秒激光脉冲对涡轮叶片材料的冲击打孔特性,使用双脉冲改写方程的激光光源项,并对涡轮叶片材料进行数值模拟,得到了镍基高温合金在飞秒激光双脉冲冲击打孔下的晶格和电子温度.通过对比单脉冲的模拟结果发现:双脉冲烧蚀情况下,材料电子和晶格出现2个峰值温度,且电子和晶格的平衡温度相比单脉冲提高345 k,平衡时间延长了5 ps,使用美国Ray Corp生产的飞秒脉冲激光器,对镍基高温合金材料在不同的激光参数下:激光脉冲宽度、激光能量、激光频率、脉冲间隔对材料的烧蚀进行双脉冲打孔,得到孔的形貌特征,并与单脉冲打孔对比发现双脉冲打孔的质量和效率优于单脉冲.
【期刊名称】《电子器件》
【年(卷),期】2019(042)002
【总页数】5页(P291-295)
【关键词】飞秒激光;高温合金;电子、晶格温度;冲击打孔
【作 者】崔波;宫金良;王志文
【作者单位】山东理工大学机械工程学院,山东淄博255000;山东理工大学机械工程学院,山东淄博255000;山东理工大学机械工程学院,山东淄博255000
【正文语种】中 文
【中图分类】TP212.2
航空燃气涡轮发动机的性能和叶片材料有密切的关系,近年来燃气涡轮的进口温度一直在升高[1],镍基高温合金材料凭借其高强度、抗疲劳性能和在高温、高压下具有抗氧化、抗腐蚀性能,广泛地应用于航空发动机的涡轮叶片制造过程中[2]。但是高温镍基合金材料含有金属碳氮化合物和硬点等强化相,传统的加工方法如电解加工、电火花加工、电子束等[3]存在加工效率低下、加工精度不高、加工过程中产生微裂纹,从而影响叶片的使用寿命。20世纪90年代以来,飞秒激光凭借其超强、超快的性能和热影响区小等逐渐用于材料的切割、打孔等超精细冷加工[4]。相比于传统的方法,飞秒激光加工的微孔具有适用材料范围广、高精度、高效率且加工孔径周围没有熔融区等,因此利用飞秒激光加工高温合金材料成为理想的加工手段之一[5]。
激光加工简要总结
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-可修编- 激光加工
激光的最初的中文名叫做“镭射〞、“莱塞〞，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词，意思是“通过受激发射光扩大〞。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射〞改称“激光〞。
X东华?激光加工的原理与器件?：
激光的特点：
（1） 发射出来的激光其频率、相位、方向和偏振态等都完全一样，因而，激光具有许多珍贵的特性，可归纳为亮度高、颜色纯、方向性好和相干性强等四个方面。所以激光束可在时间上和空间上实现高度的集中，也就是说，激光具有良好的聚集性能。强大的激光束，经过聚焦后，可以形成微细的光斑，从而到达极高的功率密度〔如105~109𝑊/𝑐𝑚2〕，其亮度和威力大大超过普通的光源。甚至比世界上最强大的光源太阳的亮度还要高数亿倍。
激光的聚焦特性与其波长、模式、发散角、以及聚焦透镜的焦距等因素有关。
原理：
（1） 当激光束照射到材料外表时，由于材料吸收光能后转变为热能，使材料加热升温，改变材料的物理化学性质或将照射区内的材料熔融，甚至汽化溅出，将材料去除或破坏。利用这种激光与材料相互作用时的热效应，便可有效地进展各种激光加工。
特点：
（1） 由于激光束的功率密度很高、威力很大，因而可以加工各种金属和非金属材料，特别适合于加工高硬、耐热合金、陶瓷、宝石、石英、玻璃等硬而脆的难加工材料。
“飞秒激光微加工
【摘要】飞秒激光微加工技术作为一种新兴的加工技术，具有非接触、效率高、加工精度高、热效应小、损伤阈值低以及能够实现真正的三维结构微加工等传统技术无法比拟的诸多优点，其应用领域相当广泛。文章描述了飞秒激光加工透明材料时，激光能量沉积在光学趋肤层，热效应极小的特性。指出了目前打孔普遍利用激光的直写技术，针孔掩模加工技术可以改善孔形的事实。最后展望了飞秒激光微加工的研究方向。
【关键词】飞秒激光;微加工;打孔;阈值;优点;前景
1.引言
激光是在粒子数反转情况下通过受激辐射放大产生的高亮度相干光束，其原理早在1916年就由物理学家爱因斯坦提出，但直到1960年，梅曼（t?maiman）成功制造的第一台红宝石激光器问世[1]，量子光学才由理论研究发展到技术工程。随着各类激光器的出现，激光器的脉宽急剧缩小，峰值功率大幅提高，可调型和稳定性等优势逐渐凸显，飞秒激光在工业加工领域备受青睐，各界根据不同的需要将其广泛应用于微光学、微电子、微机械、微生物、微医学等领域。
2.飞秒激光脉冲技术
1976年，人们首次在染料激光器中实现了飞秒量级的激光脉冲输出[2]。20世纪90年代初，克尔透镜锁模飞秒钛宝石激光器使得飞秒激光技术获得了一次飞跃发展。2003年，n h
rizvi总结了飞秒激光对金属、玻璃、金刚石、陶瓷以及各种聚合物等材料的微加工进展情况，并论证了飞秒激光是一种优秀的微加工光源[3]。
人们利用飞秒激光可以聚焦到透明材料内部进行三维加工这一特性，在石英玻璃中制备出各种微光学元件和微流体器件，并将其成功集成在同一块玻璃芯片上，飞秒激光于是在生物传感和生化分析等领域得到一定应用。
在信息电子领域，研发人员将新型激光精细加工装备应用于半导体集成电路、印刷线路板、平板显示、fbg光纤光栅，大大提高了制作效率和工艺水平。经过科研人员的努力，飞秒激光在半导体照明、太阳能光伏电池、燃料电池、微创医用器械及各类mems等新兴产业中也得到了广泛应用。另外，由于激光加工的非接触性，它还可应用于昂贵或危险物品的加工。