数纳秒532nm激光对硬脆透明材料高精细加工的研究

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钠钙玻璃、石英玻璃等硬脆透明材料凭借其优异的物理化学性能在光电子、照明和光伏等领域获得了广泛应用。传统的金刚石或硬质合金刀轮划线加工方法,存在工序复杂、损耗多等不足。随着激光技术的不断进步,在硬脆透明材料的加工精度和效率等方面,激光具有独特的优势。长脉冲会由于热效应造成加工部位物理特性的改变;超短脉冲虽然解决了热效应问题,提高了加工质量,但是在较小尺寸结构加工中,存在加工后的中间去除物难以脱离基底的问题,而且加工效率低。纳秒激光可实现对硬脆透明材料低热影响的加工,如何进一步实现高精细加工仍是一项亟待解决的问题,本论文正是在此背景下,研究数纳秒级532 nm激光硬脆性透明材料高精细加工。结合短脉冲激光与物质的相互作用物理基础和粉渣质量占总去除质量比例,对数纳秒532 nm激光硬脆透明材料加工的材料去除机理进行了研究,结果表明:高重频、数纳秒532 nm激光脉冲对硬脆透明材料的材料去除机理主要是源于激光辐照在材料加工部位形成局部的温升,进而形成的材料局部大的热应力梯度所导致的有限空间范围内材料的崩裂,达到材料烧蚀的目的。通过等效粒径对激光烧蚀产生的粉渣粒度特性进行了研究,结果表明:激光脉冲能量越大,粉渣粒度分布越集中且分布曲线逐渐左移;为了实现高效加工,切割路径宽度设定在0.3 mm左右。基于数纳秒532 nm激光设计并建立了结构紧凑、操作简单的硬脆透明材料加工实验平台。然后,利用数纳秒532 nm激光从样品后表面通过螺旋线填充切割路径的旋转切割方法进行通孔加工特性研究。基于所能获得的最大有效切割速度条件下,在不同厚度硬脆透明材料上进行了通孔加工研究,结果表明:激光脉冲能量越大,有效切割速度越大,边缘切割质量越差;由于热传导时间不足,加工过程中后续激光脉冲产生的余热沿扫描路径不断积累,进而诱导的热应力可能会导致材料开裂;激光出口面的孔边缘质量比激光入口面的好,几乎无崩边。基于加工参数对加工效果影响的研究,提出兼顾高效率和良好加工质量的能量拼接优化方法。利用该方法在厚硬脆透明材料上成功进行了复杂结构的高精细加工。对于数纳秒532 nm激光硬脆透明材料高深径比通孔加工,后表面通孔口径全覆盖的激光同心圆环扫描的逐层材料去除加工工艺更具优势。本论文取得的研究结果在数纳秒532 nm激光硬脆透明材料高精细加工中具有重要的应用价值。
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