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基于飞秒光精密加工技术金属薄膜深小孔加工研究

作　者: 李强
导　师: 陈险峰
学　校: 上海交通大学
专　业: 光学
关键词: 飞秒金属双温模型烧蚀阈值
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

飞秒激光具有极窄的脉宽和超高的峰值功率,使得它在微加工方面有着其他传统激光脉冲无法比拟的优势。飞秒激光与材料作用机理一直是人们探索和研究的热点。由于飞秒激光与材料作用时间非常短,传统的宏观的热传导模型不能用来描述飞秒激光与材料作用过程。本文理论上通过双温模型理论模拟,系统的探究研究飞秒激光与金属材料之间的相互作用机理,并为微加工提供理论依据。另外,本文还通过飞秒激光与金属烧蚀实验,探讨了激光脉冲的能量、脉冲数、烧蚀环境等对烧蚀孔形貌,大小以及材料烧蚀阈值等进行系统的影响。基于实验事实和样品参数,通过一维双温模型,对单脉冲超短激光作用在铝金属上的电子温度及晶格温度分布进行模拟,探讨了飞秒激光烧蚀金属材料去除过程,模拟结果所描述的物理图像与理论机制达到一致。基于飞秒激光时域及空间上的高斯分布,建立二维双温模型,对单脉冲烧蚀孔径大小与能量之间的关系进行计算,理论结果与实验达到良好吻合。另外,基于飞秒光能量在Z方向衰减以及在XY平面的高斯分布建立三维双温模型,在单脉冲三维双温模型中得出了三维空间金属晶格以及电子气体温度的演化,模拟了不同脉冲能量下烧蚀孔的具体三维形貌并计算了烧蚀孔烧蚀深度与脉冲能量之间的关系。在多脉冲三维双温模型中探究了不同脉冲数目下烧蚀孔形貌变化过程,讨论了烧蚀孔孔径以及烧蚀深度随脉冲个数变化情况。在单脉冲金属材料的烧蚀实验中,通过SEM测量了烧蚀孔孔径,并根据D2与脉冲能量关系计算出材料烧蚀阈值。在多脉冲金属材料的烧蚀实验中,通过测量不同脉冲数目下烧蚀孔孔径D2与脉冲能量关系,计算出烧蚀阈值随脉冲数目变化的改变情况,并对传统累积公式进行补充提出累积效应的饱和。在金属,就激光偏振对钻孔出口形貌引起的畸变影响进行解释及分析,提出了优化解决方案,并进行验证。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-23
  1.1 引言  9-10
  1.2 飞秒激光的微加工特点  10-11
  1.3 飞秒激光加工技术进展  11-13
  1.4 飞秒激光的微加工应用  13-19
  1.5 本论文的主要研究内容  19
  1.6 参考文献  19-23
第二章飞秒激光烧蚀金属靶理论模型  23-31
  2.1 飞秒激光烧蚀金属材料作用机理  23-24
  2.2 飞秒激光微纳加工技术机理研究常用方法  24-27
  2.3 参考文献  27-31
第三章飞秒激光烧蚀金属铝的理论模拟研究  31-46
  3.1 理论基础  31-33
    3.1.1 有限元时域差分法  31
    3.1.2 有限元时域差分法  31-32
    3.1.3 各参数取值  32-33
  3.2 一维双温模型  33-36
  3.3 二维双温模型  36-38
  3.4 三维双温模型  38-44
    3.4.1 单脉冲三维双温模型  39-41
    3.4.2 多脉冲三维双温模型  41-44
  3.5 本章小结  44
  3.6 参考文献  44-46
第四章飞秒激光烧蚀金属铝的实验研究研究  46-60
  4.1 飞秒激光烧蚀材料实验研究现状  46-49
  4.2 飞秒激光微加工实验系统介绍  49-52
    4.2.1 掺钛蓝宝石激光器  49-51
    4.2.2 精细加工光路装置  51-52
    4.2.3 三维数控精密加工平台及其控制装置  52
  4.4 飞秒激光烧蚀金属铝实验研究  52-57
    4.4.1 样品准备  52
    4.4.2 实验结果及讨论  52-57
  4.5 本章小结  57
  4.6 参考文献  57-60
第五章全文总结  60-62
  5.1 主要结论  60-61
  5.2 研究展望  61-62
致谢  62-63
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  63-65

基于飞秒光精密加工技术金属薄膜深小孔加工研究

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