激光抛光技的研究
单晶硅的激光抛光表面形貌演化
单晶硅的激光抛光表面形貌演化1.概述单晶硅作为一种重要的半导体材料，在电子、光伏和光电子学等领域有着广泛的应用。
其表面形貌对其性能有着重要影响。
激光抛光作为一种非常有效的形貌调控技术，已经被广泛应用于单晶硅的表面处理中。
本文将探讨单晶硅激光抛光过程中的表面形貌演化规律。
2.激光抛光技术的原理及特点激光抛光技术是利用激光的能量对材料表面进行加热和熔化，从而实现表面形貌的调控。
与传统的化学机械抛光方法相比，激光抛光具有精度高、无损伤等特点，因此在单晶硅表面处理中具有广阔的应用前景。
3.单晶硅激光抛光表面形貌演化过程3.1 初始阶段在激光抛光的初始阶段，激光能量的作用下，单晶硅表面开始发生局部的熔化和蒸发，表面微观形貌开始发生变化。
此时，表面粗糙度逐渐减小，表面微观结构得到调控。
3.2 中间阶段随着激光能量的持续照射，单晶硅表面的熔化和蒸发现象加剧，表面微观形貌得到进一步调控。
此时，表面的结晶性逐渐增强，形貌变得更加平整和均匀。
3.3 完成阶段当激光能量达到一定程度时，单晶硅表面的形貌调控达到最佳状态，表面的粗糙度得到显著改善，微观结构得到最优化。
此时，表面呈现出极佳的光学特性和机械性能。
4.单晶硅激光抛光表面形貌演化机理单晶硅激光抛光表面形貌演化的机理包括热效应、熔化和蒸发等多个方面。
激光能量的作用下，高温熔化和蒸发过程导致了单晶硅表面形貌的演化。
激光辐射还会影响材料的结晶性和表面缺陷的形成，最终影响表面形貌的最终状态。
5.应用前景及展望单晶硅激光抛光技术在光伏、半导体和光电子学等领域有着重要的应用前景。
随着激光技术的不断发展和完善，对单晶硅表面形貌的精细调控将更加深入和精确。
未来，单晶硅激光抛光技术有望在光学器件、光伏电池等领域实现更广泛的应用，并取得更好的效果。
6.结论单晶硅激光抛光表面形貌演化是一个复杂的过程，受多种因素的影响。
随着激光抛光技术的不断发展和完善，对于单晶硅表面形貌的精细调控将更加精确和有效。
非线性光学效应在激光抛光中的应用研究
非线性光学效应在激光抛光中的应用研究随着现代科技的不断发展，激光加工技术逐渐成为制造业中不可或缺的一部分。
其中，激光抛光技术作为一种精细加工技术，在各个领域都拥有着广泛的应用。
而这一技术中，非线性光学效应也起到了重要的作用。
1. 非线性光学效应的基本原理在介绍非线性光学效应在激光抛光中的应用之前，我们需要先了解一下非线性光学效应的基本原理。
所谓非线性光学效应，是指当光在介质中传播时，受到介质中分子的电场作用，从而产生大于一阶的电场效应。
这种效应在强光场作用下才会显现出来，因此也被称为强场光学效应。
非线性光学效应具有以下几个特点：(1) 具有频率效应：即非线性响应信号的频率并不等于激光频率。
(2) 具有功率效应：激光功率越大时，非线性光学效应越突出。
(3) 具有相位效应：激光相位对非线性响应的影响比线性光学效应更为显著。
2. 非线性光学效应在激光抛光中的应用现在，我们来看一下非线性光学效应在激光抛光中的具体应用。
(1) 后效应抛光后效应抛光是一种利用激光强场光学效应对材料表面进行抛光的方法。
其原理是将激光焦点放在材料表面，利用高能激光在表面产生的高温将表面的材料蒸发、爆炸，并引起材料表面的重组和熔化。
这种处理方式能够非常精确地去除材料表面不规则的微小凸起和坑洼，从而达到抛光的效果。
(2) 激光烧结技术激光烧结技术是一种将金属或陶瓷原料在高能激光束的照射下熔融变化为稠密固体的方法。
在这一过程中，非线性光学效应起到了至关重要的作用。
通过精确控制激光强度、功率和频率等参数，可以实现对材料的精细加工和成型。
激光烧结技术在航空、汽车、化工等领域都有着广泛的应用。
(3) 光学计算机非线性光学效应还可以用于光学计算机中。
光学计算机是指通过光学方式实现逻辑电路和计算的装置，相比于传统计算机具有更快的运算速度和更大的运算容量。
而光学计算机中最为重要的组成部分就是非线性光学元件，其作用是利用非线性光学效应来实现光学计算。
非球面超精密抛光技术研究现状_袁巨龙
355nm紫外激光抛光工艺参数对蓝宝石表面粗糙度的影响
２实验装置与实验方法
实验 采用波 长 ３ ５ ５ ｎ ｍ、脉 宽 ２ ０ ｎ ｓ的 紫 外光激 光器 作 为激光 抛 光 的光 源 。该激 光 器的 相 关参数 如下 ： 最 大 电流值 ３ ２ Ａ，最 大功 率 ２ Ｗ，最 大 重复 频 率 ｌ ０ ０ Ｋ Ｈ ｚ ，光斑 直 径 １ ４ ｇ ｎ，该 激 光器 可 改变 的相 关工艺参 ｉ 数 为 ：激 光 能量 密度 、激 光 重复 频率 、扫描速 度 、扫 描方 式 等 。通 过 自行设 计 的 工作 台 ，可 以改变入 射角
３ ５ ５ ｎ ｍ 紫外激光抛光工艺参数对蓝宝石 表面粗糙度 的影 响
黄 加 福 ，林 红梅
（ 漳 州职业技术学 院 机械与 自动化工程系 ，福 建 漳州 ３ ６ ３ ０ ０ ０ ）
摘 要：通过用波长为 ３ ５ ５ ｎ ｍ的紫外激光对蓝宝石进行抛光，利用激光共聚焦扫描仪测量抛光后的表面粗糙度 Ｒ ａ ，并 结合抛光前后蓝宝石表面微观形貌特征观测，研究紫外激光脉冲能量 、激光光束扫描速度、激光重复频率及激光光束入射
扫描共聚焦显微镜分析抛光前后的蓝宝石 表面形貌。实验 中采用环境扫描电子显微镜观测蓝宝石抛光表面 的微观形貌，进 一步分析紫外光 与蓝宝 ｉ Ａ ＇ ， Ｊ 作用机理 。图 ２ 所示为采用环境扫描电子显微镜放大 ２ ０ ０ ０ 倍
收稿 日期：２ ０ １ ２一ｌ ｌ 一２ Ｏ
．
作者简介 ：黄加福 （ １ ９ ８ ４ 一） ，男，福建龙海 人，助教，硕士研究生，研究方 向：精 密加工技术 。
体 同时 去除 ，且有 较强 的 材料 融 化过 程 。反 而使表 面粗 糙度 Ｒ 升高 。但 随 着激 光扫 描速 度 的增加 ，表面 粗
激光抛光 让手工抛光成为过去式
激光抛光让手工抛光成为过去式
抛光不仅是项技术活，还非常耗时间。
特别是对结构复杂的零件进行抛光，就算是熟练工速度也很难超越每平方厘米十分钟的速度。
这样的效率对于工业化生产来说实在是太低下了。
德国的一间激光研究所开发了这样一个激光抛光系统，有望将抛光技工从繁重劳动中解放出来(或是让它成为另一个消亡职业？)
这套系统由一个5轴夹具与3轴激光器组成，就算给复杂零件内部抛光也无压力。
抛光原理是用高强度激光束稍稍融化工件表面大约20~100微米的深度，让它在表面张力的作用下变得光滑然后重新冷却固化。
它的处理速度非常之快，激光束每秒能处理一米长的工件表面，与手工打磨的效率绝对不是一个级别的。
飞秒激光加工超光滑光学表面综述
飞秒激光加工超光滑光学表面综述精密和超精密加工技术、制造自动化是先进制造技术的两大领域，精密工程、精细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿，也是未来制造技术的基础。
超精密加工是一门新兴的综合性加工技术，它集成了现代机械、电子、测量及材料等先级，极大地改善了产品的性能进技术成就，使得目前的加工精度达到了0.01m和可靠性。
超光滑表面加工技术是超精密加工体系的一个重要组成部分，在国防工业、信息产业民用产品的制造中占有非常重要的地位且有着广泛的市场需求，具有良好的发展前景。
科技的进步极大地推动了技术的发展，随着光学领域和微电子学领域及其相关技术的发展，对所需材料的表面质量的要求越来越高。
大规模和超大规模集成电路对所用衬底材料的表面精度提出了很高的要求；短波段光学的发展尤其是强激光技术的出现，对光学元件表面粗糙度的要求极为苛刻。
从而产生了超光滑表面的概念，并出现一系列用于进行超光滑表面加工的技术和方法。
超光滑表面具有以下主要特征[1]：（1）表面粗糙度小于1nm Ra，对于光学元件，表面粗糙度小于1nm RMS(粗糙度均方根值)，（2）尽可能小的表面疵病与亚表面损伤；（3）表面残余应力极小；（4）晶体表面具有完整的晶体结构，即表面无晶格错位。
超光滑表面的加工手段有抛光和超精密机械加工等，而抛光应用得最广泛。
超光滑表面加工的对象是晶体、陶瓷等硬脆性材料。
超光滑表面主要应用于现代武器惯导仪表的精密陀螺的平面反射镜、激光核聚变反射镜、大规模集成电路的基片、计算机磁盘、磁头和蓝宝石红外探测器窗口的透镜等。
对于各种超光滑表面的抛光加工手段，根据在加工过程中工件和抛光盘之间的接触状态可分为3种类型：直接接触、准接触和非接触。
在各种抛光方法中的接触状态均只属于其中一种，并在抛光过程中基本保持不变[1],[2]。
1.直接接触抛光直接接触抛光是指抛光盘和工件在抛光过程中直接发生接触，依靠抛光磨料的机械磨削作用和抛光盘的摩擦作用去除材料。
超精密抛光工艺的定义-概述说明以及解释
超精密抛光工艺的定义-概述说明以及解释1.引言1.1 概述超精密抛光工艺是一种高度精细化的表面处理技术，通过对工件表面进行极其细致的抛光和修饰，使其获得极高的光学精度和表面平整度。
这项工艺在多个领域都有广泛的应用，包括光学、精密仪器制造、半导体制造等。
相比传统抛光工艺，超精密抛光工艺更注重精度和表面质量的控制，可以实现纳米级甚至更高的表面精度要求。
本文将介绍超精密抛光工艺的定义、应用领域和关键技术，旨在深入探讨这一先进表面处理技术的原理和发展趋势，为相关领域的研究人员和从业者提供参考和借鉴。
json"1.2 文章结构":{"本文将首先介绍超精密抛光工艺的定义，包括其概念、特点和优势。
接着将探讨超精密抛光工艺在不同领域的应用，例如光学、半导体和精密机械制造等。
然后将深入分析超精密抛光工艺的关键技术，包括材料选择、工艺流程和设备要求等。
最后，文章将总结超精密抛光工艺的意义和展望，展望未来在该领域的发展前景，以及对读者提出一些思考和建议。
"}1.3 目的本文旨在探讨超精密抛光工艺的定义、应用领域和关键技术，以帮助读者深入了解该工艺的特点和优势。
通过详细介绍超精密抛光工艺的概念和原理，读者将能够更好地理解其在实际生产中的应用场景和价值所在。
此外，本文还将探讨超精密抛光工艺面临的挑战和未来发展方向，为相关领域的研究和实践提供参考和借鉴。
通过本文的阐述，希望读者能够对超精密抛光工艺有一个全面而深入的认识，从而促进该工艺在工业生产中的广泛应用和推广。
2.正文2.1 超精密抛光工艺的定义超精密抛光工艺是一种高精度的表面处理技术，通过在材料表面施加特定的力和磨料，在微观层面上去除材料表面的凸起部分，从而获得非常光滑的表面。
它在纳米级和亚纳米级的精度下进行，能够获得极高的表面光洁度和平整度。
该技术主要应用于需要极高表面质量和精度的领域，如半导体制造、光学元件制造、精密仪器制造等。
光学元件的加工与应用
光学元件的加工与应用光学元件是一类非常重要的光学元件，广泛应用于各种光学设备中。
它们的加工和应用对于提高光学设备的性能至关重要。
本文将分为两部分，探讨光学元件的加工和应用技术。
一、光学元件的加工技术1. 光学元件的加工方式光学元件的加工方式包括机械加工、研磨抛光、电子束加工、激光加工等。
其中，机械加工比较简单，通常用于加工较大的光学元件，如透镜和平面镜。
研磨抛光是光学元件加工的主要方法，它可以通过高效研磨和精细抛光来获得高精度的光学表面。
电子束加工、激光加工等是新兴的加工方式，可以用于加工尺寸更小的光学元件和独特的表面形状。
2. 研磨抛光技术研磨抛光技术是目前应用最广泛的光学元件加工技术，可以用于制造各种类型的光学元件，如平面镜、透镜、棱镜等。
研磨抛光要求加工精度非常高，通常可以达到亚微米级别。
研磨抛光中的关键步骤是抛光过程，这个过程需要高度的技术和经验。
3. 光学元件加工中的材料选择光学元件的加工材料通常是光学材料，如石英玻璃、普通玻璃、硅等。
对于不同的光学元件，需要选择不同的材料。
例如，透镜通常需要采用具有良好折射率的透明材料，平面镜需要使用具有高反射率的材料。
二、光学元件的应用技术1. 光学元件在光学系统中的应用光学元件在光学系统中的应用非常广泛，包括激光器、半导体物理等领域。
例如，在激光器中，光学元件可以用于引导激光束和调节激光束的尺寸等。
在半导体物理领域，光学元件可以用于制造太阳能电池等。
2. 光学元件在医疗器械中的应用光学元件在医疗器械中的应用也非常广泛。
例如，眼科医生可以使用透镜和棱镜来修复患者的视力，放大或缩小眼球的像。
此外，光学元件还可以用于放射性检测和热成像等医学领域，为医疗诊断提供帮助。
3. 光学元件在工业制造中的应用光学元件在工业制造中的应用也非常广泛。
例如，在汽车制造中，光学元件可以用于检测汽车玻璃是否具有光滑均匀的表面。
另外，航空航天工业中的检测和成像系统，也需要使用高精度的光学元件。
激光抛光技术的原理与应用
激光抛光技术的原理与应用激光抛光技术，作为一种新兴的材料加工方式，近年来逐渐被人们所关注。
它是通过利用强激光束瞬间照射在材料表面，使表面熔化并迅速扩散，通过光学镜头控制激光束的照射区域和强度，然后使其达到所需的加工效果。
这样能够消除材料表面的缺陷，提高材料表面质量，达到满足不同制品之间的精度要求。
下面我们就来探讨一下激光抛光技术的原理和应用。
一、激光抛光技术的原理激光抛光技术是利用强激光束在材料表面进行瞬间加热和熔化，然后造成表面超融化状态来实现加工技术的处理。
其原理便是应用激光瞬间照射在材料表面，使其表面熔化并迅速扩散，通过光学镜头控制激光束的照射区域和强度，然后使其达到所需的加工效果。
通过反复的照射和扩散，在经过数百上千次的循环加工中，即可达到高光亮度的平滑表面效果。
激光抛光技术可用于加工各类金属和非金属材料，如不锈钢、锡合金、塑料和陶瓷材料等。
二、激光抛光技术的应用1.在3D打印领域的应用激光抛光技术可以用于3D打印领域的后处理，将3D打印的零部件表面处理成平滑的表面效果。
在3D打印产品中，由于制造的材料层滞后与实际表面的精度差异，往往造成外观效果不如预期。
这时借助于激光抛光技术实现表面的抛光可以达到非常好的效果，让零件表面更加光滑，提高外观和使用性能。
2.在工具制造领域的应用激光抛光技术可以应用于各种切削工具的制作。
刀具是加工过程中不可缺少的工具，而激光抛光技术可以对其进行表面处理，提高其表面质量和光亮度，延长刀具使用寿命。
在制造中，激光抛光技术可以应用于切削工具、齿轮等制品的表面处理，以达到提高表面光洁度、减少表面摩擦力、提高使用寿命等目的。
3.在航空航天领域的应用激光抛光技术在航空航天领域应用广泛。
例如，在直升机和飞机的翼表面进行表面抛光，可以减少空气阻力，提高飞行速度；在火箭塔上的隔板表面进行抛光，可以避免氧化反应在飞行过程中造成的不好的影响。
而且，激光表面抛光技术能够提高机械零件的表面加工精度和加工效率，为飞船、卫星等航空航天产品的制造提供保障。
沈阳工业大学科技成果——SMT激光模板精密电抛光技术
沈阳工业大学科技成果——SMT激光模板精密电抛光技术成果简介
沈阳工业大学电刷镀技术研究中心自行研究的“不锈钢SMT激光模板电抛光工艺”，既可以去除模板孔洞开口处残留的毛刺，又能在最短的时间内（小于1分钟）使激光模板表面达到镜面光亮，严格控制模板腐蚀量＜0.005mm，开口尺寸偏差＜0.01±0.005mm，厚度均匀，孔壁光滑，可完全达到了模板偏差的技术要求。
学科领域先进制造
服务领域机械、电器、航空航天
应用范围
可快速修补液压杆、柱塞、曲轴、机床导轨、各种塑料模具、热锻模具、压铸模具、冷作模具和某些工具、量具。
对黑色金属小面积均匀磨损、剥落性损伤、划伤和冶金缺陷均可补修。
技术特性
使激光模板表面达到镜面光亮，严格控制模板腐蚀量＜0.005mm，开口尺寸偏差＜0.01±0.005mm，厚度均匀，孔壁光滑。
专利情况国家发明专利1项。
技术水平国内领先
生产使用条件
此项精密电抛光技术设计合理，占地面积小；不锈钢激光模板精密电抛光溶液自制添加剂，属专利配方，溶液配方简单，易于操作，成本低廉，不含对环境污染的铬离子，水处理简单易行。
市场经济效益预测具有广阔的应用前景和巨大的经济效益。
合作方式技术转让、技术开发、技术服务
典型应用案例深圳光宏等企业已使用，利润达千万。
超光滑超精密玻璃抛光新技术
超光滑超精密玻璃抛光新技术抛光新技术可分为接触式抛光和非接触式抛光两大类型。
接触式抛光包括数控小工具抛光、应力盘抛光、浴法抛光(BFP)、浮法抛光、磁流变抛光等。
非接触式抛光主要指离子束抛光、等离子体辅助抛光、电子束抛光和激光抛光。
本文除了评述各种方法的特点外，要点阐述离子束抛光与电子束抛光。
1接触式抛光新技术接触式抛光是由传统的抛光盘模式发展而来，与传统的抛光相比，采用数字控制（CNC)机床运行、新型的抛光工具（如应力抛光盘、磁流变抛光盘）与纳米级超细抛光剂。
数控小工具抛光技术是用计算机数控小工具抛光模（抛光头）对玻璃表面进行抛光，根据所建立的数学模型，通过抛光头在玻璃表面上的运动途径，相对应力与驻留时间来控制抛除量，可以制备大中型非球面光学零件。
此种抛光设备由抛光机床、实时干涉测量以及数字控制系统（CNC)组成。
Itek公司制造的4m数控小工具抛光机，非常大抛光玻璃镜片直径可达4m，抛光效率明显提高，时间只用四周，而传统经典方法达到同样效果需要1年。
Parkm-Elmer 采用此技术，抛光望远镜镜片，较终面形粗糙度为12nm。
应力抛光盘技术(stressedlappolishing)系米用大尺寸刚性材料作为基盘，在周边可变压力作用下，盘的表面可随时改变所需要的面形。
在抛光过程中，安装于应力盘上驱动器根据计算机发出的变形盘相对镜面位置和方向的指令，改变边缘力矩的大小，使应力盘始终与被抛光玻璃的非球面光学表面相匹配。
美国亚利桑那大学Steward天文台大尺寸镜片实验室用应力盘抛光技术加工大尺寸高陡度非球面反射镜，表面粗糙度达到全口径20nm。
浴法抛光(Bowl-FeedPolishing)简称BFP方法[6]，也称水中抛光法，玻璃和抛光模同时都浸在抛光液的抛光方法，抛光时产生摩擦热均可扩散到抛光液中，不致使玻璃和抛光工具的温度升高很多，玻璃的热变形和抛光模的塑性流动达到较小，从而可用纯浙青作为抛光模对玻璃进行抛光，使玻璃表面非常光滑。
蓝宝石抛光技术的研究进展
& 现已成为半导体加工行业的主导技术 ’
!67"
化学机械抛光的研 究 报 道 主 要 集 中 于 抛 光 工 艺 过 程 方 面’ 袁巨龙等 ( 王娟等
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研究了蓝宝石衬底的化学
#- * 图$
#I * 抛光后的蓝宝石衬底的原子力显微镜图
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机械抛光& 考虑了各种因素对抛光质量的影响’ 结果表 明 ) 采用锡抛光盘 & 9+:! 磨料 & 抛光速度为 ;%<=%* > *+0& 抛光压力为 !%7<$774? > ,*!& 抛光液浓度为 %<5@AB & 8$C7D
文献 !8!" 研究了不同种类磨料 %G.!:$( 单 晶 金 刚 石 和 多 晶金刚石 *( 不同 1F 值的抛光液 ( 不同晶面的蓝宝石对抛 光 表 面 质 量 的 影 响 & 结 果 表 明 ) 采 用 G.!:$ 磨 料 & 抛 光 液
表明&
化学机械抛光后的蓝宝石表 面 经 化 学 腐 蚀 处 理 有 助 于 提 高
,!-
. 在上述应用中! 蓝宝石零件必须有很
图( 蓝宝石机械抛光表面微观模型
,)-
高的表面质量 . 所以 ! 蓝宝 石 的 精 密 和 超 精 密 加 工 已 成 为 制造技术领域中的关键问题 . 本 文 在 综 合 归 纳 目 前 常 用 的 几种蓝宝石抛光方法的基础 上 ! 介 绍 近 几 年 出 现 的 一 种 新 型的抛光技术 & && 激光 抛 光 技 术 ! 并 与 传 统 的 抛 光 方 法 进 行比较 .
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激光抛光技术的研究摘要：激光抛光是一种非接触式抛光方法。
本文介绍了激光抛光技术的发展历史, 论述了激光抛光的工艺特点和作用机理, 分析了影响激光抛光效率和抛光表面质量的因素及其影响规律。
最后，阐明了激光抛光的应用现状及未来的发展前景。
关键词：激光抛光作用机理热抛光Abstract: Laser polishing is a kind of contact-less polishing technique. The developing procedure of laser polishing technology is presented in this paper .The emphasis is focused on the characteristics of laser polishing process and its interacting mechanism.The factors which influence the polishing efficiency and polished surface roughness are analyzed.At last the current situation of laser polishing and future perspective is clarified.Keywords: Laser polishing interacting mechanism thermal polishing1. 背景及意义随着材料表面技术的发展, 表面抛光技术成为了一个越来越重要的技术。
抛光技术: 又称镜面加工技术, 是制造平坦而且加工变形层很小, 没有擦痕的面加工工艺。
在工业应用中, 对材料表面粗糙度的要求越来越高, 已经从微米级--亚微级--纳米级--亚纳米级。
为了满足应用的需要，人们不断探索新的抛光技术, 由于激光独特的性质, 激光抛光技术出现了。
图1 采用激光法抛光前后金刚石薄膜的S E M 形貌从90 年代中期以来,在美国、俄罗斯、德国和日本等国家, 广泛开展了金刚石薄膜的激光抛光研究, 已经得到了纳米级的表面粗糙度; 近年来, 日本大阪大学激光研究院的研究人员选用193nm 烧蚀波长和PMMA( 光学材料) 组配获得高的表面光滑度, 使其表面误差下降到只有0. 17K。
现在激光抛光已经在金刚石薄膜、高分子聚合物、陶瓷、半导体、光学元件、金属、绝缘体等得到广泛的研究。
日本东海大学( TokaiUniver sit y ) 电子工程系Masat aka M urahara 等人采用了光化学辅助反应的抛光机理。
采用248/ 193 nm准分子激光结合腐蚀图2 蓝宝石激光抛光前后形貌扫描电镜液抛光SiC 反射镜。
最佳效果达到Ra80 nm。
德国亚琛夫琅霍费激光所( ILT ) 的Willen-borg , E. 等人, 在 1. 234 3, 1. 234 4, 1. 231 6 等钢材上进行了激光抛光试验, 获得了接近镜面的表面粗糙度。
并用于玻璃铸造模具的制造, 获得的模具表面粗糙度Ra为0.15~ 0.2um.加拿大国家研究会微结构科学研究所采用308nmXeCl准分子激光抛光GaN薄膜。
其表面粗糙度从13nm提高到3.6nm。
俄罗斯通用物理研究所采用KrF 准分子激光抛光60~ 90 um 厚的金刚石膜, 获得35nm( 均方根值) 的表面, 并且改善了表面摩擦性能。
2. 激光抛光的特点激光有 4 大特性: 单色性、相干性、方向性和高能量密度。
这些性质使激光在加工方面具有独特的优势, 激光可经聚焦产生巨大的功率密度( 或能量密度) , 这使激光抛光成为了可能。
表 1 给出了激光抛光与其它抛光技术的比较。
从表中我们可以看出激光抛光有以下特点: ( 1) 它是非接触式抛光, 接触式抛光在样品上施加了外力, 样品在外力下容易破裂; 而非接触式激光抛光则不会对样品施加任何压力; ( 2) 激光抛光有很高的灵活性, 它不仅能对平面进行抛光, 还由于激光抛光是非接触式加工, 故运用计算机三维控制能够对各种曲面进行抛光, 如是对称曲面效果则更好, 激光能够抛光的面形有: 平面、球面、椭球面、抛物面等; ( 3) 抛光样品时, 不需要其它的辅助药剂, 故对环境的污染很小; ( 4) 可以实现精密的抛光; 材料表面经激光抛光后可以达到纳米级, 甚至亚纳米级; ( 5)特别适合超硬材料和脆性材料粗抛光后的精抛光;( 6) 可实现微细抛光, 对选定的微小区域进行局部抛光; ( 7) 抛光需要的工作环境比较简单, 一般在室温下进行, 不需要特殊的工作环境。
表1 激光抛光与其它抛光技术的特点名称激光抛光机械抛光超声波抛光离子束抛光化学抛光机理烧蚀磨蚀磨削溅射刻蚀氧化抛光面型曲面平面平面曲面平面温度室温室温室温室温高温特殊环境要求无无有有无环境污染无有有无有设备成本高低低高低样品尺寸要求无无有有有抛光时间较短长长长短抛光费用中等低低高低3. 激光抛光的机理和技术激光抛光本质上就是激光与物质的相互作用。
根据激光与材料的作用机理, 可把激光抛光简单分为两类: 一类为热抛光, 另一类为冷抛光。
激光热抛光一般用连续长波长激光聚焦于材料表面, 在很短的时间内在近表面区域积累大量的热, 使材料表面温度迅速升高, 表面层物质熔化和蒸发, 而基体的温度基本保持在室温。
当上述物理变化过程主要为熔化时, 材料表面熔化部分各处曲率半径的不同使熔融的材料向曲率低( 即曲率半径大) 的地方流动, 各处的曲率趋于一致。
同时, 固液界面处以每秒数米的速度凝固, 最终获得光滑平整的表面。
当上述物理变化过程主要为蒸发时, 激光抛光的实质就是去除材料表面一薄层物质。
热抛光有热效应，温度梯度大，产生的热应力大，容易产生裂纹，抛光表面质量不是很好，通常用于粗抛光。
如图3所示为激光抛光金刚石薄膜原理简图。
图3 激光抛光金刚石薄膜原理简图激光冷抛光一般用短脉冲短波长，激光冷抛光主要是通过“消融”作用，即光化学分解作用去除材料。
材料吸收光子后，材料中的化学键被打断或者晶格结构被破坏，表面材料开本体从而实现材料的去除。
在抛光过程中热效应可以忽略，热应力很小，不产生裂纹，不影响周围材料，材料去除容易控制，所以激光冷抛光特别适合精密抛光，尤其适合硬脆材料的精密抛光。
激光在对不同的材料进行抛光时, 系统是有些差别的, 但是系统的主要构成有: 激光器、光束均匀器、面形检测反馈系统、三维工作台、计算机控制系统。
激光抛光通常采用两种方法: 一种是激光光束固定不动, 工作台带动工件运动; 另一种是工作台和工件不动, 光束根据要求运动。
用连续激光抛光时, 激光作用在材料表面检测设备跟踪检测, 实时反馈控制决定每个微小部分作用时间( 或扫描速度) 或控制变焦聚焦系统来改变激光功率密度。
用脉冲激光抛光时, 激光作用在材料表面检测设备跟踪检测, 实时反馈控制决定每个微小部分作用的脉冲个数或者控制变焦聚焦系统来改变激光的能量密度。
在激光抛光过程中, 检测技术和实时反馈控制技术是关键, 在很大程度上决定了抛光的等级。
4. 影响激光抛光效果的因素激光抛光过程实际上可归结为材料对激光的吸收和转化过程。
当激光束聚焦到工件表面时，光能一部分被材料吸收，一部分被透射或反射损失。
材料物理性能、晶体结构、表面初始状况、材料厚度等因素对能量的吸收率和反射率都有影响，从而对抛光效果也有着重要影响。
图4 不同入射角蓝宝石表面形貌一般来说，长波长激光由于光子能量比较小，抛光材料时会使材料表面产生过大的热应力而产生裂纹，抛光表面质量较差，但抛光效率较高，因此，长波长激光适用于粗抛光。
而短波长激光的光子能量大，抛光材料时以光化学作用为主，能直接打断材料表面成分的化学键而去除材料，产生的热应力小，不易产生裂纹，抛光后的表面光滑，因此，短波长激光适合于精抛光。
图5 不同能量密度的激光在蓝宝石钻孔后的表面扫描电镜图像在激光能量密度和脉宽不变的情况下，激光扫描速度和激光重复频率决定了材料表面单位面积在单位时间内平均吸收的光能。
而在实验或生产应用中，通常激光重复频率都固定。
因此，激光扫描速度决定了材料表面的激光辐照时间，从而决定了材料表面单位面积在单位时间内平均吸收的光能，影响抛光效果。
存在一个最佳的激光扫描速度使抛光后的表面粗糙度最小，在激光波长532 nm，脉宽10 ns，重复频率10 Hz，激光入射角40°，脉冲能量50 mJ，抛光面积25 mm2的实验条件下的结果，如图 2 所示。
该扫描速度取决于材料表面晶粒的大小、光斑大小和形状、脉冲能量等。
图6 扫描速度与抛光效果的关系激光抛光是一种非接触式抛光方法。
激光抛光过程中，激光能量密度、激光脉宽、激光光束入射角、激光光束扫描速度、扫描方式、激光波长、工件材料性质和结构等因素对激光抛光效果有着重要影响。
激光波长决定着材料的去除方式，从而对抛光表面质量有着较大影响；激光的能量密度决定着材料的破坏阈值；能量密度和辐照时间是影响抛光效果的两个最重要的因素；激光扫描速度通过激光辐照时间和光斑重叠率两个方面影响抛光效果；激光光束扫描方式主要通过影响不同扫描过程间的激光辐照光斑重叠率和重叠形式，影响抛光表面质量；激光脉宽影响着激光的辐照时间。
另外，激光光斑形状、激光焦距等工艺参数对激光抛光效果也有影响。
外部条件包括工作环境的气压、气体成分、温度、湿度等因素对激光抛光效果有着一定的影响。
5. 总结展望激光抛光技术作为一项新技术, 目前还处于发展阶段, 在该领域还有许多工作要做。
虽然激光抛光技术具有很多优点, 但也存在一些问题。
首先, 设备的成本高、抛光的费用比较贵, 这在一定程度上限制了该技术的发展。
但随着激光器成本的降低, 抛光工艺的进一步改进, 这些问题会得到解决。
其次,抛光过程中的检测技术和精密控制技术要求相当高, 且因相互之间的技术保密, 为进一步发展增加了难度。
再其次, 如果利用激光对超硬材料表面进行抛光时, 因为它比较适合材料粗抛光后的精抛光, 所以如直接利用它对样品进行抛光, 由于材料的剥离量小, 效率就比较低, 此时, 一般是综合使用多种抛光方法。
但是对其它的非超硬材料进行抛光时, 则它既可以对材料进行粗抛光也可以进行精抛光。
总之, 激光抛光技术的发展会推动激光精密加工技术和激光微细加工技术的更快发展。
此外，加强硬脆材料激光抛光技术的研究，对我国微加工技术发展有重要意义。
参考文献[1] M. Shao, M. Hua, H.Y.Tam, et al. An approach to modeling of laser polishing of metals[J]. Surface ＆Coatings Technology, 2005, 197(1):77－84．[2] C.H. Tsai, C. H. Ou. Machining a smooth surface of ceramic material by laser fracture machining technique [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 155－156 (1－3):1797－1804．[3] M. Udrea, H. Orun, A. Alaccakir．Laser polishing of optical fiber end surface [J] Optical Engineering, 2001, 40(9):2026－2030．[4] 唐娟，廖健宏，蒙红云等. 紫外激光器及其在激光加工中的应用[J]. 激光与光电子学进展, 2007, 44(8): 52~56.[5] M.Rossetti.Development of chemical polishing techniques for sapphir[J].Army Materials and Mechanics Research Cebter, 2004.[6] 谢昕．短波长激光抛光蓝宝石晶体的机理研究[D]．广州: 广东工业大学硕士学位论文，2007.[7] F.Malik, M.Hamn. Manufacturability of the CMP process[J].Thin Solid Films ,2008，270(1-2): 612-615.[8] R.Jairath, J.Fracas.Chemical mechanical polishing: processmanufacturability[J].Solid State Technology ,2006, 37(7): 71-77.[9] WANG Y Z, LIU S L.Effects of surface treatment on sapphiresubstrates[J].Journal of Crystal Growth, 2005, 174: 241-245.[10] Stein D J, Hetherington D L，Ceechi J L.investigation of the kinetics of tungstenlaser polishing in potassium iodate-based slurries .J Electrochem Soc，2009，146(1)：376-381 .[11] 张永康．激光加工技术[M].第 1 版，北京: 化学工业出版社，2004.[12] X.X.Li, T.Q.Jia.Ablation induced by Femtosecond laser insapphire[J].Applied Surface Science，2004，225(4)：339-346 .[13] 郭晓艳,刘晓飞.激光抛光硬脆材料研究进展[J].机电工程技术2009,38(07):0013－03[14] H.Horisawa，H.Emura.Surface maching characyeristics of sapphire with fifthharmonic YAG laser pulses[J].Science and Direct Vacuum，2004，73(3-4)：661-266 .[15] T.C.Chen，R.B.Darling.YAG laser micromachining of sapphire[J].Journal ofMaterials Processing Technology，2009，169(2)：214-218 .[16] C.Y.Jiang，G.Q.Zhou.Femtosecond laser irradiation on YAG and sapphirecrystals[J].Journal of Crystal Growth，2008，280(1-2)：181-185 .[17] 江超，王又青，等.激光抛光技术的发展与展望[J].激光技术，2002,26(6):428-244.[18]郭纪林，刘莹，蔡升．准分子激光加工与研磨加工 Al2O3陶瓷表面形貌的比较[J].南昌大学学报，2007, 29(1): 9~15[19]mikiz, J.A.Sanchez, L.N.Lopez de Lacalle. Laser polishing of parts built up by selective laser sintering [J]．Machine Tools & Manufacture,2007, 47(12-13): 2040~2050[20] J.C.Rozzi, O.H.Clavier, M. D. Barton. Laser-assisted pre-finishing of optical ceramic materials[J].The International Society for Optical Engineering,2007, 6545:1~7.[21] 陈继民，徐向阳，肖荣诗．激光现代制造技术[M]. 第1 版，北京: 国防工业出版社, 2007.[22] 左铁钏. 21世纪的先进制造——激光技术与工程[M]. 第1 版，北京: 科学出版社，2007.。