基于纳飞秒双束激光的蓝宝石微细加工技术研究.pdf

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1、硕士学位论文基于纳飞秒双束激光的蓝宝石微细加工技术研究INVESTIGATIONONMICROMACHINGOFSAPPHIREBYFEMTOSECOND-NANOSECONDDUAL-BEAMLASER张帅哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TN249学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文基于纳飞秒双束激光的蓝宝石微细加工技术研究硕士研究生：张帅导师：王懋露申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN249U.D.C:621

2、DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringINVESTIGATIONONMICROMACHINGOFSAPPHIREBYFEMTOSECOND-NANOSECONDDUAL-BEAMLASERCandidate：ZhangShuaiSupervisor：MaoLuWangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateof

3、Defence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要蓝宝石具有良好的理化特性，在机械电子、航空航天、微电子等领域具有广阔的应用前景。然而由于其高硬度、高脆性及价格昂贵的特点，工业生产中对其加工效率及加工质量要求不断提高，对其加工工艺不断提出新的挑战。本课题将飞秒激光加工精度高和纳秒激光加工效率高的优点相结合，提出了一种兼顾加工质量与加工效率的纳飞秒双脉冲激光加工蓝宝石的工艺方法。本文首先采用等离子体物理、量子力学的相关理论，综合考虑

4、各种激光吸收机理，研究被加工材料对纳飞秒双激光的吸收过程及其光学特性,分析其能量耦合过程。采用Fokker-plank方程双温模型drude模型对飞秒激光诱发的等离子体的演化过程及等离子体与入射飞秒激光之间的相互作用进行研究，在此基础上通过有限元仿真模拟了纳飞秒双激光与蓝宝石材料相互作用的能量耦合过程与蚀除过程，研究了纳飞秒双脉冲激光作用下等离子浓度的时空演化规律及其对吸收系数及反射率等的影响规律及蚀除规律。在理论研究基础上，搭建了纳飞秒激光试验加工平台。开展了飞秒和纳飞秒双束激光对蓝宝石的工艺试验。采用与仿真分析相同的工艺参数研究了激光单脉冲能量和脉冲个

5、数对微孔加工的影响，对仿真结果进行了验证。采用不同的脉冲延时、激光功率、激光重复频率、扫描速度、扫描次数等对刻划蓝宝石微槽表面形貌和深度的影响规律进行了研究。研究结果表明，通过改变纳飞秒脉冲延时可以显著提高材料与激光之间的能量耦合及加工效率，通过合理选择激光频率和扫描次数可以进一步改善微沟槽的加工质量。本课题对进一步分析激光与蓝宝石之间的作用过程，形成一种新的针对宽带隙半导体材料的高效精密加工方法具有重要指导意义。关键词：纳飞秒双束激光；蓝宝石；微细加工；双温模型；能量耦合。I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractSapphirehasgoodphys

6、icochemicalpropertieswhicharewidelyusedinthefieldsofmechatronics,aerospace,andmicroelectronics.However,Becauseofitshighhardness,highbrittleness,andhighprice,therequirementsforitsprocessingefficiencyandprocessingqualityofsapphirearecontinuouslyincreasinginindustrialproduction,andnewc

7、hallengesareconstantlyraisedinitsprocessingtechnology.Thistopiccombinesthehighprecisionoffemtosecondlasermachiningandthehighefficiencyofnanosecondlaserprocessing,proposingamethodofSapphireprocessingbyfemtosecond-nanoseconddual-beamlaserwhichcombinesbothprocessingqualityandprocessing

8、efficiency.Inthisre