超快激光抛光核心技术专项研究朱鹏飞西安工业大学Word文档下载推荐.docx
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超快激光抛光技术是近些年浮现一种新型表面加工技术。
因其抛光质量好并且热效应少,因此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、实验实行和数据分析等方面,摸索了超快激光抛光单晶硅原理和加工工艺。
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影响。
运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比例,运用单变量分析可以直观地分析该因素水平变化对抛光效果影响。
将两种实验办法相结合可以科学并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。
它们之间不是简朴线性关系,而是存在一种可以获得抛光效果最佳参数区间。
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,扫描间距这三个重要参数中对抛光效果影响最大是激光能量密度。
由于激光能量密度极差R远不不大于别的两者极差。
3.工件原始表面粗糙度是一种影响抛光效果重要参数。
某一套加工参数搭配只有作用在某一原始表面粗糙度材料上才可以获得最佳抛光效果。
核心词:
超快激光;
激光抛光;
单晶硅;
参数优化
Studyofultrafastlaserpolishingtechnology
Discipline:
ArmsEngineering
StudentSignature:
SupervisorSignature:
Abstract
Thetraditionalpolishingmethodforpolishinghardbrittlematerialcanbringtheunavoidableproblemssuchassurfacedamage.Ultrafastlaserpolishingtechnologyisanewsurfaceprocessingtechnologyinrecentyears.Becausethistechnologyhasthecharacteristicsofthepolishingqualityandlessheateffect,itisverysuitableforhighprecisionpolishingforhardbrittlematerials.
Thispaperfromtheultrafastlaserpolishingsystemstructures,experimentaldesign,anddataanalysis,etc.,studiestheultrafastlaserpolishingprincipleandprocessingtechnologyofsinglecrystalsilicon.Intheexperiment,thesystemwithfemtosecondlaser(λ=515nm,f=4kHz)andpicosecondlaser(λ=532nm,f=200kHz)polishingmaterials,afterprocessing,systemusingdigitalmicroscopeandsurfaceprofilerteststhesurfaceroughnessandsurfacemorphologyoftheregion.Thispaperanalyzesthelaserenergydensity,thespotoverlapandscanningmodeforultrafastlaserpolishingquality.Theorthogonalexperimentdesigncanbeclearlyanalyzestheimportanceoffactorsareinpolishingeffect.Andthesinglefactorexperimentdesigncanbeclearlyanalyzestheparameterlevelchangesonthepolishingeffect.Combiningwithtwomethodsofexperiment,parameterscanbeoptimizedscientificallyandcomprehensively.Thispapergivesthefollowingconclusion:
1.Thelaserenergydensity,scanningspeed,scanspacinganddefocusingamountcanaffectthepolishingeffect.Therelationshipbetweenthemisnotasimplelinearrelationship.Thereisapolishingeffectcanbeobtainedinthebestparameterrange.
2.Throughtheorthogonalexperimentaldesigncandrawtheconclusion:
inthelaserenergydensity,scanningspeed,scanningintervalofthethreemainparameters,thelaserenergydensityisthebiggesteffectonthepolishingperformance.Becausethelaserenergydensityofrangeisthebiggestofall.
3.Thematerialoftheoriginalsurfaceroughnessisanimportantparameter.Asetofparametersisonlyforacertainroughnessmaterialtoobtainthebestpolishingeffect.
Keywords:
ultrafastlaser;
laserpolishing;
singlecrystalsilicon;
parameteroptimization
1绪论
1.1引言
随着当代制造业蓬勃发展,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技术。
抛光技术又被称作镜面加工技术,是制造平坦并且加工变形层很小、无摩擦痕迹面加工工艺。
决定产品使用性能优劣核心因素之一就是表面抛光工艺。
如今,随着产品构造设计复杂化和产品组合形式多样化,抛光工艺重要性不言而喻。
时至今日,微电子学领域和光学领域及其关于行业发展势头迅猛,随之而来众多场合对于产品表面质量规定提高到一种新高度。
近些年来,大规模和超大规模是集成电路发展重要方向,为了保证后续工艺质量,对于所使用基片材料表面粗糙度提出了更高规定。
不但如此,在军工领域,例如:
高精度激光陀螺仪对于提高飞机和导弹等控制精度至关重要。
想要获得更高精度激光陀螺仪,势必先要提高激光反射镜制造技术。
激光陀螺仪会由于镜面散射而导致性能减少,因而陀螺仪激光反射镜需要最大限度地减少背向散射。
因而,抛光技术成为理解决这一问题核心。
例如:
美国赫赫有名“猛禽”战斗机F22所配备高精度激光陀螺仪,其反射镜材料是具备零膨胀系数Zerodur(微晶玻璃),其表面粗糙度指标规定极低,才干使为达到反射率>
99.99%[1]。
当前,在工程领域里已经发展较为成熟抛光技术有:
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、流体抛光等一系列办法。
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应用。
某些抛光技术特点对比见表1.1所示。
近些年来,生产制造业对于晶体应用需求增长十分迅速。
大某些晶体其硬度与光学玻璃相比较较低,且其元器件对于表面完整性有着特殊规定。
然而,在应用方面较为常用接触式抛光技术中,材料表面普通均与抛光模处在接触状态。
在对晶体材料使用此法抛光时,导致晶体表面抛光区域损伤、其表面晶格完整性被损坏重要因素是抛光模通过抛光粉颗粒传递到抛光区域表面力。
针对这一状况,必要减少传递到抛光区域作用力,于是诞生了为保证晶体材料表面完整性为首要目非接触式加工技术。
这一类抛光技术可以有效保证加工过程中抛光区域不与抛光模直接接触。
在非接触式抛光办法中,常用有诸如离子束抛光、磁流变抛光和激光抛光等。
由于离子束抛光重要是凭借溅射在材料表面原子(或离子)而抛除,因此在抛光过后会导致工件材料表面成分、构造以及其折射率也许发生变化,并且在材料表面还会产生无法避免残存应力。
离子束抛光办法对于大气环境有着特殊规定,其抛光过程需要在真空中进行。
在非接触式抛光技术中,除了激光抛光以外,离子束、电子束以及等离子辅助抛光,工件均需要处在真空室内,因而可以抛光产品尺寸就受到真空室大小限制。
近年来一种新无亚表面损伤且无残存应力影响种新型抛光技术——超快激光抛光技术开始映入科研人员视野。
表1.1某些抛光技术特点对比
名称
机理
特殊环境
环境污染
设备成本
尺寸限制
抛光时间
抛光精度
激光抛光
烧蚀或
光分解
无
高
较短
纳米级
机械式抛光
磨蚀
有
低
长
超声波抛光
磨削
离子束抛光
溅射刻蚀
亚纳米级
化学抛光
氧化
短
超快激光抛光技术缘何得以受到国内外关注,究其因素在于它拥有如下特点:
1.一方面,超快激光抛光可以应用材料范畴极为广泛。
对于金属材料或是非金属材料均可以运用该项技术进行加工。
并且对于老式加工技术难以解决超硬材料和脆性材料等均可以进行抛光。
2.另一方面,超快激光抛光技术加工精度较高。
使用超快激光在合理参数组合下,可以对材料轻松实现精密抛光。
3.再次,超快激光抛光技术可以完毕极小尺寸下局部精密抛光。
超快激光抛光和非超快激光加工相比,具备拟定阈值特性[2][3]。
在抛光过程中,使用变化激光脉冲光斑能量手段,可以仅使聚焦光斑核心区域处达到材料去除阈值。
因而抛光区域就可以控制在去除阈值范畴内区域,从而达到突破光束衍射极限极小尺寸下局部精密抛光。
4.超快激光抛光技术还拥有极高灵活性[4]。
不但可以对于平面抛光,通过搭建具有三维精密移动平台抛光系统,可以运用计算机控制对自由曲面进行激光抛光。
5.超快激光抛光技术是一种近乎无损加工方式。
超快激光抛光按照作用方式属于非接触式类型抛光,这意味着其不会对抛光区域带来力作用和亚表层损伤。
并且特殊是,由于超快激光脉冲与材料作用时间极短,远远不大于材料晶格热传导时间,因
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