关键词： 背面湿式刻蚀   蓝宝石基片   激光加工   声发射检测  

摘要： 蓝宝石具有高耐磨性、高硬度、高脆性和化学性能稳定等特点，是重要的光学元件和半导体衬底材料，广泛应用于工业、国防和科研等领域。激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石的过程复杂，涉及激光与样件、工作液体等多层介质层材料相互作用的问题，目前对激光诱导背面湿式刻蚀的加工机理不甚明确。在不同的激光加工工艺参数下，加工过程中存在声音变化，因此采用声发射技术来监测激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石基片的全过程，为解释激光诱导背面湿式刻蚀机理和提高刻蚀质量提供参考依据。\n 本文根据激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石的特点，选择合适的软硬件，搭建了声发射实验监测系统。对蓝宝石在不同的工作液体下进行了激光诱导背面湿式刻蚀声发射实验研究。首先总结了进行激光诱导背面湿式刻蚀过程的声发射检测实验研究意义，总结了湿法刻蚀技术和声发射技术的国内外研究现状；并对声发射技术在脆性材料加工和激光加工领域的研究状况进行了归纳；概述了声发射技术的基础理论，总结了常用的声发射信号处理方法。在此基础上，形成了激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石过程中声发射实验研究思路。主要研究方法和结论如下：\n （1）首先通过研究声发射技术的相关理论，总结了常用的声发射信号参数分析方法，确定了利用声发射特征参数幅度、撞击计数、能量计数联合分析激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石的全过程。\n （2）对激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石基片过程中的声发射信号的参数特征进行分析，发现激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石时，声发射事件少，幅度较大，能量计数比较大，撞击计数较小。当形成部分刻穿时，声发射事件逐渐增多，幅度减小，能量计数基本降为零，撞击计数开始大幅增加。因此可以利用声发射信号特征来判断蓝宝石是否被切穿。\n （3）为了进一步了解不同刻蚀状态的频谱特征，对常用的频谱分析方法如短时傅里叶变换、功率谱等相关原理进行分析，确定选用功率谱作为本课题的声发射信号的频谱分析方法。通过对一个完整的激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石过程中声发射信号的功率谱分析，发现不同的刻蚀状态下声发射信号的频谱特征不一样。激光设备空转时的声发射信号分布在100kHz以下；激光直接作用在工作液体上的声发射信号主要集中在100kHz-200kHz之间，功率谱值比较低；激光刻蚀在蓝宝石上的声发射信号集中在300kHz左右，功率谱值比较高。因此可以根据这些频谱特征判断蓝宝石在不同时刻所处的刻蚀状态。

关键词： 增材制造   金属材料   激光加工  

摘要： 增材制造已经成为先进制造的关键技术之一,成为国内外研究与发展的热点。从技术原理、材料以及实际应用等方面综述了基于激光的金属增材制造技术的研究现状,提出了拟解决的关键技术、评价体系的标准化以及未来的发展方向。

关键词： 电火花加工机床   监控维护系统   运行可靠性  

摘要： 电火花加工机床因不正确的操作和维护而引发的故障率较高。为此研究并设计了电火花加工机床监控维护系统,实现对机床状态的监测和机床的维护,提升了机床的运行可靠性。考虑到监控维护系统自身的可靠性是实现监控准确可靠的必要条件,因此从硬件可靠性设计角度对各模块的设计进行了深入探讨,所形成的装置已在电火花加工机床的监控系统上得到应用和验证。

关键词： 皮秒激光加工   表面微织构   金属材料   烧蚀机理   光学参数  

摘要： 目前，传统的长脉冲、连续脉冲激光由于加工机理的原因不可避免地存在热影响问题，已经难以满足激光微织构技术的加工需求，随着激光加工技术的迅速发展，皮秒激光加工正在逐渐取代传统激光加工方式。本文自主研制了一套完整的多功能皮秒激光加工系统，利用该系统探索皮秒激光表面微织构技术应用于多种材料加工的可行性，并对皮秒激光微织构加工进行了机理分析和试验研究。\n 首先，阐述了激光与金属的能量耦合过程，分析了皮秒激光对金属材料的烧蚀机理；介绍了烧蚀阈值的概念，并且分析了激光加工过程中光学参数对烧蚀阈值及加工形貌的影响规律。\n 其次，针对多功能皮秒激光加工系统的设计目的、性能要求、部件配置和功能实现等问题，开展多功能皮秒激光加工系统的研制工作。分别设计了光学系统、机械系统、控制系统及辅助系统，并且在各部件的选型基础上进行了集成优化、功能整合和控制实现。多功能皮秒激光加工系统的研制为后续系统开展皮秒激光微织构工艺研究奠定了良好的基础。\n 然后，利用多功能皮秒激光加工系统对金属材料的激光表面微凹坑工艺试验展开研究，探讨了皮秒激光的重复频率、持续时间和激光功率对微凹坑形貌的影响规律。结果表明：微凹坑的直径和深度随着重复频率的增大先增大后减小，随着激光功率和持续时间的增大而增大。于此同时，针对多种金属材料进行了皮秒激光微凹槽工艺试验，分析激光功率和扫描速度对微凹槽的影响规律。结果表明：微凹槽的宽度和深度随着激光功率的增大而增大，随着扫描速度的增大而减小。\n 最后，研究了皮秒激光对非金属材料的烧蚀过程，着重对硅和玻璃这两种材料进行了皮秒激光微凹槽工艺试验研究，探索宽禁带材料皮秒激光加工的可行性，分析激光功率和扫描速度对微凹槽形貌的影响规律。结果表明：微凹槽的宽度和深度随着激光功率的增大而增大，随着扫描速度的增大而减小。试验为扩展激光微加工材料，增加微织构应用范围提供了相关依据。

关键词： 激光加工   半导体可饱和吸收镜   皮秒激光器   脉冲展宽   脉冲串形成   再生放大   行波放大  

摘要： 激光精细加工作为激光加工领域的一个重要分支，广泛应用于宝石、玻璃、晶圆切割、心血管支架及太阳能电池等制造。研究结果表明，相对连续或长脉进激光，超快皮秒脉冲激光能够有效降低热扩散，降低加工所需的脉冲能量，实现良好的加工效果。在此，脉冲串皮秒激光由串内脉冲作用效果的累积效应，即后一个脉冲作用效果与前一个或多个脉冲的作用相互叠加，这种叠加效果增强了对材料的作用。使得在每个脉冲能量都小于单脉冲破坏阈值的情况下，足够数目的脉冲入射致使材料的破坏。同时，由脉冲串皮秒激光高峰值功率、串内脉冲等间距、等幅值、窄脉宽等特征，广泛应用在各科学研究领域。\n 目前，基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)技术的全固态锁模激光器成为皮秒激光器研究的重点。但SESAM锁模激光器直接输出激光的能量低，限制了它在某些领域的应用。本文将结合SESAM锁模、脉冲展宽、脉冲串形成、再生放大及行波放大等技术实现大能量脉冲串皮秒激光输出。论文主要内容包括:\n 1.介绍了皮秒激光器在激光加工，同步泵浦X射线产生等研究领域的应用价值。对比了纳秒激光器，皮秒激光器以及单脉冲与脉冲串皮秒激光器在加工中的区别。并对国内外产生脉冲串的几种方法及脉冲串皮秒激光器的研究现状进行了总结。\n 2.分别设计了半导体激光二极管(LD)泵浦Nd∶YVO4晶体的SESAM锁模双路与单路输出，描述了标准具与布拉格体光栅(VBG)对皮秒脉冲展宽过程。采用四分之一波片与偏振片组成可调谐输出镜，在808nm泵浦功率3W下获得单路输出功率达1.18W，光光转化效率为39.3％。相比于耦合输出镜双路输出，锁模单路输出能更好的得到最佳匹配输出率，获得最佳的功率。同时在锁模双路输出腔内插入标准具，获得了最宽脉宽135ps脉冲输出，脉冲光谱变窄，为多峰结构。在锁模输出腔外采用VBG进行展宽，经两次VBG展宽，脉冲展宽至200ps以上，脉冲光谱几乎不变。\n 3.设计了改进型迈克尔逊干涉仪脉冲串生成器，同时提出了增益放大分束脉冲串生成器。采用改进型迈克尔逊干涉仪脉冲串生成器分别获得串内4根、6根脉冲等间距的脉冲串皮秒种子光。\n 4.设计了大电流泵浦下高增益双凸再生放大腔并结合激光脉冲在再生放大过程中的偏振特性，创新性设计了腔长翻倍的再生放大腔。在1kHz高增益再生放大中获得单脉冲8mJ的1064n激光输出，而在串内6根的脉冲串再生放大下获得脉冲包络能量达11.7mJ的能量输出。在腔长翻倍的再生放大中，1kHz下获得单脉冲6.5mJ的1064nm激光输出，1小时内脉冲与脉冲之间的能量抖动性小于0.5％。\n 5.设计了强泵浦短棒双模块Nd∶YAG单通放大器，有效的减少自聚焦非线性效应。在强泵浦短棒双模块Nd∶YAG单通放大器下，3.2mJ的单脉冲能量通过三级单通放大至58.3mJ。而在1kHz脉冲串下，通过二级单通放大将11.7mJ的脉冲包络能量放大至96mJ。\n 6.计算了1064nm双轴晶体LiB3O5(LBO)临界相位角度匹配及非临界相位温度匹配倍频与光参量2128nm的角度。角度LBO匹配实验中，单脉冲6.4W的激光经此倍频获得3W的绿光输出，转换效率为46.8％。采用温度匹配的LBO晶体倍频脉冲串皮秒激光，30.2W的激光功率经倍频后获得18W功率的绿光输出，转换效率达60％。采用1kHz功率7W的1064nm激光进行光参量实验，获得2128nm波长附近2127.8nm、2172.5nm、2072.5nm、2128.5nm四个相近波长的输出。同时皮秒脉冲串应用在CCD/COMS损伤，同步泵浦KGW拉曼激光器的实验中，结果表明脉冲串皮秒激光具有很大的优势。

关键词： 超快激光加工   微纳制造  

摘要： 激光制造技术历经多年的研究发展，涵盖了以激光表面工程、激光焊接、激光切割、激光制孔、激光标记、激光增材制造等为代表的宏观制造技术，以激光微焊接、激光精密切割、激光精密钻孔、激光烧蚀等为代表的激光微加工技术，和以飞秒激光直写、双光子聚合、干涉光刻、接触离子透镜序列、激光诱导表面纳米结构和纳米颗粒激光制备等为代表的激光微纳制造技术等广泛的研究领域。

关键词： 激光制造   激光加工   飞秒激光旋切开孔   热障涂层   重铸层  

摘要： 针对燃气轮机叶片气膜孔传统加工方法存在的缺陷,采用飞秒激光旋切带热障涂层的高温合金加工气膜孔,获得了无裂纹、无附着残渣及无重铸层的锥孔。结合飞秒激光加工过程中材料的去除机理,分析得出:等角速度旋切造成的孔锥度较大;材料的去除过程为绝热冷却过程,即与周边材料几乎没有热交换,未发生基体材料熔化后重新凝固形成重铸层的过程。然而,在孔的入口发现黑色附着物,随着加工次数的增加,逐步覆盖整个入口边缘的部分。试验过程中可收集到含有镍、锆、氧等元素的纳米颗粒,证明被去除的材料通过液相爆破的方式以纳米颗粒的形式快速离开基体,从而解释了加工后在孔壁未发现大量附着残渣粘连的原因。相对于低速单层旋切,高速多层旋切加工效率更高。

关键词： 超声振动   复合加工   应用   发展  

摘要： 简要介绍以超声振动为辅助,电解、电火花以及激光加工为主的复合加工技术,分析其加工机理、优势及应用,并展望未来超声复合加工技术的发展趋势。

关键词： 金属材料   材料强化   表面织构化   激光辐照  

摘要： 对摩擦副表面进行表面织构化处理是提升摩擦副的流体润滑性能的一种有效方式。经过多年来的发展，目前学术界在表面织构开口形状优化、表面织构的分布范围优化及表面织构的取向优化方面取得了长足的进步，但是，由于受到加工手段和测试手段的限制，目前对织构底部形状的影响规律的研究还较为缺乏。为提供有效的方法制备可控底部形状织构，本文拟通过实验研究考察激光加工在构造可控底部织构的潜力，为可控底部织构的构建及其流体润滑性能的研究奠定基础。可控底部织构本质上是实现特殊的织构深度分布，理论上可通过特殊光强分布的激光光束来制备。然而，采用特殊光强分布的激光光束来制备可控底部织构还存在较大问题：对于长脉冲或连续激光而言，在加工过程中热传导较为充分，所加工的织构形状在很大程度上决定于热传导过程产生的熔池形状而非激光光束强度分布；对于飞秒激光而言，构建的织构形状却主要取决于激光诱导产生的电子温度扩散过程，同样难以通过光强分布来构建可控底部织构。所以本文拟采用纳秒激光且通过抑制熔融材料的飞溅从而建立织构形状与光束强度分布之间的关系。\n 本研究主要内容包括：⑴结合高斯光束和纳秒激光的特性，推导了圆微坑直径随激光脉冲能量的变化规律。通过单因素变量法，在1060铝合金上进行纳秒激光多脉冲圆微坑加工，对推导结果进行了验证。同时也对激光脉冲数量和离焦距离对圆微坑直径的影响规律进行了研究。结果表明：圆微坑直径随脉冲数量的增大而增大，但增大趋势并不太明显；圆微坑直径随能量的变化规律基本满足 R2∝ln(E)；离焦会增大圆微坑直径，离焦距离越大圆微坑直径越大。通过调节激光参数可以对激光圆微坑织构加工时所得的圆微坑直径实现控制。⑵考察了织构边缘凸起（飞溅产物）随激光参数的变化。通过对微坑周围凸起的形成机制的分析，阐释了凸起高度水平与激光微坑加工时材料去除机制的联系，指出在凸起高度较低时，材料主要通过蒸发机制去除。通过调节激光脉冲数量和激光脉冲能量在1060铝板上进行圆微坑加工，研究了微坑周围凸起高度的可控性。脉冲数量为6-9时，凸起高度较低，存在特定范围的脉冲能量，能够使微坑周边凸起的高度充分降低。可以通过控制脉冲数量和脉冲能量的方法控制圆微坑的凸起高度。⑶考虑了不同加工参数的情况下通过激光束构建的织构之间的关联性，说明织构深度分布与激光光束分布之间的联系。通过在1060铝板上圆微坑加工研究了激光参数对圆微坑深度的影响规律；通过圆微坑截面图分析，研究激光参数对圆微坑深度方向的结构的影响。结果表明：圆微坑深度随脉冲数量和脉冲能量的增大而增大，圆微坑深度方向的结构随脉冲数量和脉冲能量的变化而变化。这一结果意味着通过控制激光光强分布可实现织构底部形状的控制。⑷实验中发现了现有的光学测量方法在3D形状构建方面的局限，并采用PDMS微坑复制法验证了这种局限。

关键词： 激光加工   发展前景   加工原理  

摘要： 随着科技的发展,我国机械技术越来越成熟。激光加工是一种利用激光束来完成焊接、切割、打标、钻孔等一系列活动,利用激光束可以在不同的材料上进行这些焊接、切割等活动。尤其是对于一些要求十分精准的工程和对于一些特殊材料的加工,激光可以发挥出无可取代的作用。