飞秒激光加工平台介绍

下一步计划：
1. 使用matlab分析作出飞秒激光与材料相互 作用模拟曲线；
2. 飞秒激光深孔加工工艺研究；
谢谢！
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1 课题的研究目的：
本设计对一维双温方程进行合理约化，采用 有限元法，通过数值模拟分析对材料表面烧蚀温 度场进行一维数值模拟，在此基础上研究了飞秒 激光深孔加工的理论，并将2自由度微定位平台 应用到飞秒激光加工系统中，设计出一种全新的 飞秒激光深孔加工系统
2 飞秒激光加工系统
四 分 之 一 滤 波 光 线偏振 片 镜 衰 减 片 光束整形控制 光 闸 控 制
飞秒激光加工平台总体设计
主要组成部分
飞秒激光器系统
• 系统集成了飞秒种源、二极管直接泵浦、放大器、电源控制系统、制 冷等。重要参数： • 中心波长：1030±10nm； • 重复频率：1-500KHz，可调； • 脉冲宽度：300fs； • 最大脉冲能量:>30μJ@100kHz； • 平均功率：>3W； • 能量稳定性：<1.0% RMS（8小时）； • 光斑：3-4mm @1/e2； • 空间模式：TEM00（M2 < 1.3）；
项目汇报
毕业设计题目：飞秒激光深孔加工理论与 系统设计 汇 报 人： 王继刚
汇报内容
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课题的研究背景及其目的意义 飞秒激光加工系统及优点 双温方程、有限元法
飞秒激光深孔加工平台设计
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1 课题的研究背景
深孔加工，特别是微小深孔的加工是现代机械加工 领域研究的重要内容，不论从装备品的发展还是深孔加 工技术的现有水平来看，深孔加工技术都尚处于新兴发 展阶段。 1960年美国物理学家Theodore Maiman 研制出了世 界上第一束人造激光，自此激光技术得到了迅速发展， 激光加工技术了得到了广泛的发展。1995年以来飞秒 激光作为一种新兴激光开始应用于材料加工，飞秒激光 打孔技术也逐渐开始发展，但是当前飞秒激光打孔技术 还没有应用于深孔加工，因此，利用飞秒激光进行深孔 加工具有很大的研究价值和意义。
CCD
检测器
显微镜
Lamp
飞秒激光器
分色镜
聚焦物镜
计算机
驱动器
X-Y-Z 工作台
2 飞秒激光加工的优点
1．飞秒激光加工的材料组织中没有熔融区,没有重 铸层,不会产生微裂纹。这是飞秒加工的独特之处。避 免了热熔化的存在,实现了相对意义上的“冷”加工, 大大减弱和消除了传统加工中热效应带来的诸多负面 影响。 2．飞秒激光加工精度高,不受光衍射极限的限制,具 有相当高的空间分辨性。 3．飞秒激光加工对材料没有限制性,可以对任何材 料进行精细加工、修复和处理。 4．飞秒激光加工需要的脉冲能量阀值非常低,一般 只有毫焦耳量级,这就决定了加工能量的低耗性。 5．加工过程不产生导致结构损坏的冲击波,不损坏 临界的结构组织。
• 本论文选取有限元法对双温方程进行约化
• 采用有限元法约化后的双温方程：
A 1T e b 1
Te i
A2Ti b2
【注】这里 Te Ti 是矩阵不是电子和晶格 的温度， A为三对角矩阵，b 为一阶矩阵
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 4
飞秒激光加工系统设计
飞秒激光加工系统主要包括飞秒激光 器、导光系统、加工平台（含微动平 台）、控制系统及检测系统。
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有限元法
• 基本思想：把计算域划分为有限个互不重叠的
单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为 求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成 由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数 组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量 法，将微分方程离散求解
有限差分法与有限元法的区别
• 有限差分法：直观、理论成熟、精度可选。缺点 在于对不规则区域处理繁琐，并且对区域的连续 性等要求较严格。 • 有限元法：适于处理复杂区域，精度可选。缺点 在于内存和计算量巨大。
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双温方程
一维双温方程：
Ce Te k Te g (Te Ti ) S ( x, t ) t x x Ci Ti g (Te Ti ) t
• 其中，S(x,t)代表源项：S(x,t)＝I(t)Aαexp(αx)；x 代表光传输方向，与材料表面相垂 直， A＝1－R 与α代表材料表面穿透率与 吸收系数； • I(t)代表光强 • Ce Ci 代表电子和晶格的比热 • Te Ti为电子和晶格的温度