超快激光抛光技术研究——朱鹏飞-西安工业大学-2014
抛光粉颗粒度对高功率激光玻璃材料抛光效率和粗糙度的影响
Table 5 The roughness with different slurry particle size in BK7 polishing
图5不同平均粒径抛光粉抛光BK7在不同抛光阶段的玻璃表面粗糙度(a)BK7玻璃R1308抛光0.5 h(b)BK7玻璃 R1308抛光1.5 h(c)BK7玻璃R1308抛光2.5 h(d)BK7玻璃R1308抛光3.5 h(e)BK7玻璃R115抛光3.5 h 面粗糙度
本文就3类高功率激光玻璃材料抛光中抛光剂 中的抛光粉颗粒度对抛光效率和抛光粗糙度的影响 进行了深入研究。采用不同平均粒径的氧化铈抛光 粉配成的抛光剂分别对磷酸盐钕玻璃、熔石英和BK7 3类激光材料的抛光过程进行了实验。通过实验表 明:不同的激光玻璃材料由于硬度不同,应选择适宜 的抛光粉颗粒度才能在达到一定的抛光效率的同时 获得最佳的抛光粗糙度。实验也为抛光上述激光玻 璃材料时选择抛光粉的规格提供了工艺指导。
第29卷第7期 2009年7月
文章编号:0253—2239(2009)07—1905—07
光学学报
ACTA 0PTICA SINICA
Vol。29.No.7 July,2009
抛光粉颗粒度对高功率激光玻璃材料抛光 效率和粗糙度的影响
张宝安 包 蕾 朱健强
(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800)
Experiment indicates that special glass,for its typical physical and chemcal property,need corresponding average particle size of polishing slurry to get optimal polishing material removal rate.The influence on roughness of different slurry particle size for these three type glass is studied in experiment.Experiment data shows that the influences on
2014.05光弹性
术的不断改进,使得现代光测
技术的测量灵敏度越来越高, 对测量环境的要求越来越低。
9
光学测试方法
光弹(Photoelasticity) 非干涉方法 几何云纹、影像云纹 栅线投影(Fringe projection) 数字图像相关(DIC) 全息干涉(Holography interferometry) 干涉方法 电子散斑干涉(ESPI) 云纹干涉(Moiréinterferometry)
数不同,因而反射光和折射光均为部分偏振光。
当以布儒斯特角 i 入射时,反 射光成为完全线偏振光,其振
动方向垂直于入射平面,而折
射光仍为部分偏振光。
26
光学基本知识
获得偏振光的方法-二向色性
光通过某种介质时,一个方向被吸收得较少,光可以
较多地通过,而另一个方向则吸收得较多,光通过较
少。介质对光吸收的本领随着光矢量的振动方向而改
2 E12 E2 2E1E2 2 2 2 2 cos sin 2 A1 A2 A1 A2
当A1= A2=A,Δ=/4时, 合成光矢量端点的轨迹是 一条螺旋线,这种光称为 圆偏振光。
2 E12 E2 A2
32
光学基本知识
圆偏振光、1/4波片
产生圆偏振光的光学元件称为1/4波片(1/4λ片)
式中x,y,z 为空间坐标,t为时间,v为光矢量E的传播速度, ▽2为拉普拉斯算子符号
2
2 x
2
2 y
2
2 z2
平面光波
2 E 1 2 E 2 2 2 z v t
z t z E ( z, t ) U 0 cos 2 vt U 0 cos 2 U 0 cos t k z T
采用光克尔快门提升激光脉冲对比度
摘 要 : 了有 效 地 提 升 激 光 脉 冲 对 比度 , 出采 用 光 克 尔 快 门 技 术 对 激光 主脉 冲进 行 选 通 来 消 除 主脉 冲前 后 的 噪 声 。将 为 提
激 光 脉 冲 分 成 两束 , 束 作 为快 门光 控 制 光 克 尔 快 门 , 一 束 作 为 待选 通 的光 脉 冲 , 两 束 光 在 光 克 尔 介 质 中空 间 交 叉 。 一 另 这 调 节 光 克 尔 快 门 的 打开 时 间使 其 针 对 激 光 主脉 冲进 行 选 通 , 在 光 克 尔 快 门之 外 的 光均 被 阻 挡 , 使 由此 有 效 地 提 升激 光 脉
一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法[发明专利]
(10)申请公布号 (43)申请公布日 2014.06.25C N 103878496A (21)申请号 201410151016.2(22)申请日 2014.04.15B23K 26/382(2014.01)B23K 26/0622(2014.01)(71)申请人北京理工大学地址100081 北京市海淀区中关村南大街5号(72)发明人姜澜 房巨强曹强(54)发明名称一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法(57)摘要本发明涉及激光应用领域,尤其涉及一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法。
本发明的加工方法,将近红外飞秒激光单脉冲利用飞秒激光光学参量放大器将近红外飞秒激光单脉冲的波长调节为可见光,然后利用迈克尔逊干涉仪结构的光路将其调制为激光双脉冲,再利用连续衰减片调整激光双脉冲的总能量;再将所得到的可见光双脉冲穿过光学快门,并通过物镜后垂直聚焦于待加工样品的上表面;最后利用光学快门控制可见光双脉冲的曝光时间,进而调整照射到待加工样品表面的激光脉冲个数,直至加工微孔的深度达到饱和。
本发明的加工方法能够有效提高微孔加工的深径比和质量。
(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书4页 附图1页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书4页 附图1页(10)申请公布号CN 103878496 A1/1页1.一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法,其特征是所述方法包括以下步骤:步骤1)采用飞秒激光系统产生近红外飞秒激光单脉冲,利用飞秒激光光学参量放大器将近红外飞秒激光单脉冲的波长调节为可见光,然后利用迈克尔逊干涉仪结构的光路把激光单脉冲调制为激光双脉冲,再利用连续衰减片调整激光双脉冲的总能量不小于待加工样品的加工阈值;步骤2)使步骤1)中所得到的可见光双脉冲穿过光学快门,并通过物镜后垂直聚焦于待加工样品的上表面;步骤3)利用光学快门控制可见光双脉冲的曝光时间,进而调整照射到待加工样品表面的激光脉冲个数,直至加工微孔的深度达到饱和。
超快激光抛光技术研究——朱鹏飞 西安工业大学 2014
超快激光抛光技术研究学科:兵器工程研究生签字:朱鹏飞学校导师签字:韩军企业导师签字:杨小君摘要传统抛光方法对硬脆材料进行抛光会带来亚表面损伤等无法避免的问题。
超快激光抛光技术是近些年出现的一种新型表面加工技术。
因其抛光质量好而且热效应少,所以它非常适合对于硬脆材料进行高精度抛光。
本文从超快激光抛光系统搭建、实验设计、实验实施和数据分析等方面,探索了超快激光抛光单晶硅的原理和加工工艺。
实验中,分别采用飞秒激光(λ=515nm,f=4kHz)和皮秒激光(λ=532nm,f=200kHz)对材料进行抛光,通过数码显微镜和表面轮廓仪检测了被抛光的表面形貌和表面粗糙度,分析了激光能量密度、光斑重叠率和扫描方式对于超快激光抛光质量的影响。
利用正交实验设计可以直观地分析各因素在抛光效果中所占的比例,利用单变量分析可以直观地分析该因素的水平变化对抛光效果的影响。
将两种实验方法相结合可以科学而且全面地进行参数优化。
本文得出如下结论:1.激光能量密度,扫描速度,扫描间距和离焦量这些工艺参数均影响着抛光效果。
它们之间不是简单的线性关系,而是存在一个可以获得抛光效果最好的参数区间。
2.通过正交优化实验设计可以得出在激光能量密度,扫描速度,扫描间距这三个主要参数中对抛光效果影响最大的是激光能量密度。
因为激光能量密度的极差R远大于其余两者的极差。
3.工件的原始表面粗糙度是一个影响抛光效果的重要参数。
某一套加工参数的搭配只有作用在某一原始表面粗糙度的材料上才能够获得最好的抛光效果。
关键词:超快激光;激光抛光;单晶硅;参数优化Study of ultrafast laser polishing technology Discipline:Arms EngineeringStudent Signature:Supervisor Signature:Supervisor Signature:AbstractThe traditional polishing method for polishing hard brittle material can bring the unavoidable problems such as surface damage. Ultrafast laser polishing technology is a new surface processing technology in recent years. Because this technology has the characteristics of the polishing quality and less heat effect, it is very suitable for high precision polishing for hard brittle materials.This paper from the ultrafast laser polishing system structures, experimental design, and data analysis, etc., studies the ultrafast laser polishing principle and processing technology of single crystal silicon. In the experiment, the system with femtosecond laser (λ=515nm, f=4kHz) and picosecond laser (λ=532nm, f=200kHz) polishing materials, after processing, system using digital microscope and surface profiler tests the surface roughness and surface morphology of the region. This paper analyzes the laser energy density, the spot overlap and scanning mode for ultrafast laser polishing quality. The orthogonal experiment design can be clearly analyzes the importance of factors are in polishing effect. And the single factor experiment design can be clearly analyzes the parameter level changes on the polishing effect. Combining with two methods of experiment,parameters can be optimized scientifically and comprehensively. This paper gives the following conclusion:1. The laser energy density, scanning speed, scan spacing and defocusing amount can affect the polishing effect. The relationship between them is not a simple linear relationship. There is a polishing effect can be obtained in the best parameter range.2.Through the orthogonal experimental design can draw the conclusion: in the laser energy density, scanning speed, scanning interval of the three main parameters,the laser energy density is the biggest effect on the polishing performance . Because the laser energy density of range is the biggest of all.3. The material of the original surface roughness is an important parameter. A set ofparameters is only for a certain roughness material to obtain the best polishing effect.Key words: ultrafast laser;laser polishing;single crystal silicon;parameter optimization目录1绪论 (1)1.1引言 (1)1.2超快激光器的诞生与发展 (3)1.3激光抛光技术的国外研究现状 (4)1.4激光抛光国内研究现状 (7)1.5本文的主要研究内容 (7)2 超快激光与物质间的作用以及抛光机理 (8)2.1超快激光与物质间的作用 (8)2.1.1物质对于激光的吸收 (8)2.1.2光致等离子体对于抛光过程的影响 (8)2.2超快激光抛光机理 (10)2.3本章小结 (12)3超快激光抛光系统的组建 (13)3.1超快激光抛光加工系统 (14)3.1.1超快激光器 (14)3.1.2反射镜 (15)3.1.3激光扩束镜 (16)3.1.4激光振镜 (16)3.1.5控制软件 (17)3.1.6电控升降平台 (19)3.2超快激光抛光检测系统 (20)3.2.1表面轮廓仪 (20)3.2.2数码显微镜系统 (22)3.2.3激光功率计 (22)3.3本章小结 (23)4.超快激光抛光实验以及实验数据分析 (24)4.1超快激光抛光实验方案 (24)4.2超快激光抛光单因素实验 (29)4.2.1激光波长的单因素实验: (29)4.2.2激光能量密度的单因素实验 (31)4.2.2扫描线速度和扫描间距的单因素实验 (32)4.2.4离焦量的单因素实验 (34)ii4.2.5原始表面粗糙度的单因素实验 (35)4.3超快激光抛光正交实验 (36)4.3本章小结 (43)5结论 (44)5.1总结 (44)5.2展望 (44)参考文献 (46)致谢 (49)学位论文知识产权声明 (50)学位论文独创性声明 (51)i1绪论1.1引言随着现代制造业的蓬勃发展,表面抛光工艺已经成为了一项越来越受到广大科技工作者和工程专家所关注的技术。
飞秒激光直写光纤光栅在光纤激光器中的应用研究
硕士学位论文飞秒激光直写光纤光栅在光纤激光器中的应用研究STUDY ON FABRICATION OF FIBER BRAGG GRATINGS WITH FOCUSED FEMTOSECOND LASER PULSES AND ITS APPLICATION INFIBER LASERS朱学华哈尔滨工业大学2010年6月国内图书分类号:O439 学校代码:10213 国际图书分类号:535 密级:公开硕士学位论文飞秒激光直写光纤光栅在光纤激光器中的应用研究硕 士 研究生:朱学华导 师: 潘玉寨副教授申 请 学 位:理学硕士学 科、专 业:光学所 在 单 位:光电科学系答 辩 日 期: 2010年6月授予学位单位:哈尔滨工业大学Classified Index:O439U.D.C:535Dissertation for the Master’s DegreeSTUDY ON FABRICATION OF FIBER BRAGG GRATINGS WITH FOCUSED FEMTOSECOND LASER PULSES AND ITS APPLICATION INFIBER LASERSCandidate:Zhu XuehuaSupervisor:Associate Prof. Pan Yuzhai Academic Degree Applied for:Master of Science Specialty:OpticsAffiliation: Department of Optoelectronics ScienceDate of Defence:June, 2010Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学理学硕士学位论文摘要伴随着高功率半导体激光器和新型包层泵浦技术的发展,近红外波段的高功率光纤激光器成为了人们研究的热点课题。
应用飞秒激光双光子吸收还原金属离子
应用飞秒激光双光子吸收还原金属离子马竞;朱煜;杨开明【摘要】为了探讨利用有机高分子材料的飞秒激光双光子吸收来引发金属离子还原的可行性,在自行研制的双光子微细加工系统中,采用物质的量的比为1:1的硝酸银/聚乙烯吡咯烷酮混和凝胶进行还原试验,加工出宽25μm的线条以及4mm×0.4mm的测试导线.由X射线光电子能谱分析可知,加工生成物主要元素是银,通过测试导线电阻,测算其电阻率范围在10-3Ω·m~10-5Ω·m之间.结果表明,用双光子吸收还原金属离子,可以控制反应区域,这对加工导电金属微结构是有帮助的.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2010(034)003【总页数】3页(P395-397)【关键词】非线性光学;双光子吸收;飞秒激光;聚乙烯吡咯烷酮【作者】马竞;朱煜;杨开明【作者单位】清华大学,精密仪器与机械学系,摩擦学国家重点实验室,北京,100084;清华大学,精密仪器与机械学系,摩擦学国家重点实验室,北京,100084;清华大学,精密仪器与机械学系,摩擦学国家重点实验室,北京,100084【正文语种】中文【中图分类】TG665;TN249引言飞秒激光双光子微细加工技术的原理是通过双光子吸收使双光子吸收材料发生一系列的物理或化学性质的改变。
飞秒激光有着更优异的加工特性,其加工对周围区域热学、力学、化学影响小,其横向加工精度可达几十纳米,而深度加工精度甚至可达亚纳米级[1],因此,应用双光子微细加工技术可以加工任意的3维微结构。
国内外很多研究小组都利用该技术进行了大量研究,将该技术应用到3维微结构的制备上。
日本大阪大学的研究组制作出3维螺旋结构及红细胞大小(长10μm、高7μm)的公牛像[2],澳大利亚STRAUB研究组用该技术制作出悉尼歌剧院模型[3],中国科学院理化技术研究所的DONG等人也制作出微型千里马造型[4]。
虽然双光子微细加工技术已经展示出加工真3维结构的优越性,然而受加工材料性质(强度、导电性等)等因素的限制,该技术并未在微机电系统、微光学器件和生物医学等潜在的应用领域得到广泛的运用[5]。
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超快激光抛光技术研究——朱鹏飞-西安工业大学-2014超快激光抛光技术研究学科:兵器工程研究生签字:朱鹏飞学校导师签字:韩军企业导师签字:杨小君摘要传统抛光方法对硬脆材料进行抛光会带来亚表面损伤等无法避免的问题。
超快激光抛光技术是近些年出现的一种新型表面加工技术。
因其抛光质量好而且热效应少,所以它非常适合对于硬脆材料进行高精度抛光。
本文从超快激光抛光系统搭建、实验设计、实验实施和数据分析等方面,探索了超快激光抛光单晶硅的原理和加工工艺。
实验中,分别采用飞秒激光(λ=515nm,f=4kHz)和皮秒激光(λ=532nm,f=200kHz)对材料进行抛光,通过数码显微镜和表面轮廓仪检测了被抛光的表面形貌和表面粗糙度,分析了激光能量密度、光斑重叠率和扫描方式对于超快激光抛光质量的影响。
利用正交实验设计可以直观地分析各因素在抛光效果中所占的比例,利用单变量分析可以直观地分析该因素的水平变化对抛光效果的影响。
将两种实验方法相结合可以科学而且全面地进行参数优化。
本文得出如下结论:1.激光能量密度,扫描速度,扫描间距和离焦量这些工艺参数均影响着抛光效果。
它们之间不是简单的线性关系,而是存在一个可以获得抛光效果最好的参数区间。
2.通过正交优化实验设计可以得出在激光能量密度,扫描速度,扫描间距这三个主要参数中对抛光效果影响最大的是激光能量密度。
因为激光能量密度的极差R远大于其余两者的极差。
3.工件的原始表面粗糙度是一个影响抛光效果的重要参数。
某一套加工参数的搭配只有作用在某一原始表面粗糙度的材料上才能够获得最好的抛光效果。
关键词:超快激光;激光抛光;单晶硅;参数优化Study of ultrafast laser polishing technology Discipline:Arms EngineeringStudent Signature:Supervisor Signature:Supervisor Signature:AbstractThe traditional polishing method for polishing hard brittle material can bring the unavoidable problems such as surface damage. Ultrafast laser polishing technology is a new surface processing technology in recent years. Because this technology has the characteristics of the polishing quality and less heat effect, it is very suitable for high precision polishing for hard brittle materials.This paper from the ultrafast laser polishing system structures, experimental design, and data analysis, etc., studies the ultrafast laser polishing principle and processing technology of single crystal silicon. In the experiment, the system with femtosecond laser (λ=515nm, f=4kHz) a n d picosecond laser (λ=532nm, f=200kHz) polishing materials, after processing, system using digital microscope and surface profiler tests the surface roughness and surface morphology of the region. This paper analyzes the laser energy density, the spot overlap and scanning mode for ultrafast laser polishing quality. The orthogonal experiment design can be clearly analyzes the importance of factors are in polishing effect. And the single factor experiment design can be clearly analyzes the parameter level changes on the polishing effect. Combining with two methods of experiment,parameters can be optimized scientifically and comprehensively. This paper gives the following conclusion:1. The laser energy density, scanning speed, scan spacing and defocusing amount can affect the polishing effect. The relationship between them is not a simple linear relationship. There is a polishing effect can be obtained in the best parameter range.2.Through the orthogonal experimental design can draw the conclusion: in the laser energy density, scanning speed, scanning interval of the three main parameters,the laser energy density is the biggest effect on the polishing performance . Because the laser energy density of range is the biggest of all.3. The material of the original surface roughness is an important parameter. A set of parameters is only for a certain roughness material to obtain the best polishing effect.Key words: ultrafast laser;laser polishing;single crystal silicon;parameter optimization目录1绪论 01.1引言 01.2超快激光器的诞生与发展 (2)1.3激光抛光技术的国外研究现状 (4)1.4激光抛光国内研究现状 (6)1.5本文的主要研究内容 (7)2 超快激光与物质间的作用以及抛光机理 (8)2.1超快激光与物质间的作用 (8)2.1.1物质对于激光的吸收 (8)2.1.2光致等离子体对于抛光过程的影响 (9)2.2超快激光抛光机理 (11)2.3本章小结 (13)3超快激光抛光系统的组建 (14)3.1超快激光抛光加工系统 (15)3.1.1超快激光器 (15)3.1.2反射镜 (16)3.1.3激光扩束镜 (17)3.1.4激光振镜 (18)3.1.5控制软件 (19)3.1.6电控升降平台 (21)3.2超快激光抛光检测系统 (22)3.2.1表面轮廓仪 (22)3.2.2数码显微镜系统 (24)3.2.3激光功率计 (25)3.3本章小结 (26)4.超快激光抛光实验以及实验数据分析 (27)4.1超快激光抛光实验方案 (27)4.2超快激光抛光单因素实验 (33)4.2.1激光波长的单因素实验: (33)4.2.2激光能量密度的单因素实验 (34)4.2.2扫描线速度和扫描间距的单因素实验 (36)4.2.4离焦量的单因素实验 (37)4.2.5原始表面粗糙度的单因素实验 (39)4.3超快激光抛光正交实验 (40)4.3本章小结 (47)5结论 (48)5.1总结 (48)5.2展望 (48)参考文献 (50)致谢 (53)学位论文知识产权声明 (54)学位论文独创性声明 (55)1绪论1.1引言随着现代制造业的蓬勃发展,表面抛光工艺已经成为了一项越来越受到广大科技工作者和工程专家所关注的技术。
抛光技术又被称作镜面加工技术,是制造平坦而且加工变形层很小、无摩擦痕迹的面加工工艺。
决定产品使用性能优劣的关键因素之一就是表面抛光工艺。
如今,随着产品结构设计的复杂化和产品组合形式的多样化,抛光工艺的重要性不言而喻。
时至今日,微电子学领域和光学领域及其有关行业发展势头迅猛,随之而来众多场合对于产品的表面质量的要求提升到一个新的高度。
近些年来,大规模和超大规模是集成电路发展的重要方向,为了确保后续的工艺质量,对于所使用的基片材料表面粗糙度提出了更高的要求。
不仅如此,在军工领域,例如:高精度的激光陀螺仪对于提高飞机和导弹等控制精度至关重要。
想要获得更高精度的激光陀螺仪,势必先要提高激光反射镜的制造技术。
激光陀螺仪会因为镜面散射而造成性能降低,因此陀螺仪的激光反射镜需要最大限度地减少背向散射。
因此,抛光技术成为了解决这一问题的关键。
例如:美国赫赫有名的“猛禽”战斗机F22所配备的高精度激光陀螺仪,其反射镜材料是具有零膨胀系数的Zerodur(微晶玻璃),其表面粗糙度指标要求极低,才能使为达到反射率>99.99%[1]。
目前,在工程领域里已经发展较为成熟的抛光技术有:超声波抛光、浴法抛光、浮法抛光、Teflon抛光、离子束抛光、冰盘式抛光、湿式化学抛光、干式化学抛光、滑水板式抛光、化学动力抛光、电解抛光、磁研磨抛光、流体抛光等一系列方法。
这些常规抛光技术在精密机械、光学元件、仪器仪表、医疗器械、电子设备等领域和行业均有着颇为广泛的应用。
部分抛光技术的特点对比见表1.1所示。
近些年来,生产制造业对于晶体的应用需求增长十分迅速。