超短激光加工蓝宝石研究

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1、中文图书分类号：TN249密级：公开UDC：621.8学校代码：10005工程硕士学位论文M.E.DISSERTATION论文题目：超短激光加工蓝宝石研究论文作者：边晓微领域：光学工程指导教师：陈檬论文提交日期:2016年6月UDC：621.8学校代码：10005中文图书分类号：TN249学号：S201313033密级：公开北京工业大学硕士专业学位论文（全日制）题目：超短激光加工蓝宝石研究英文题目：STUDYONMACHININGOFSAPPHIREBYULTRASHORTLASER论文作者：边晓微学科专业：

2、光学工程研究方向：能量光电子申请学位：工程硕士专业学位指导教师：陈檬副研究员所在单位：激光工程研究院答辩日期：2016年6月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：边晓微日期：2016年4月25日关于

3、论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：边晓微日期：2016年4月25日导师签名：陈檬日期：2016年4月25日摘要摘要蓝宝石晶体由于其硬度高、化学稳定性好、透光性强等优良的物理、化学及光学特性，被广泛应用于工业、国防和科研等领域。如被用作高档表的耐磨损表镜，半导体材料的外延生长基片及红外军用装置、导弹等的窗

4、口材料，尤其在手机产品上的广泛应用而再次备受关注。但脆性是蓝宝石晶体的致命缺陷，其加工过程极易产生崩边及裂纹现象，而且由于生长过程复杂，生产成本高，因此对其高质量低损耗的加工一直是加工蓝宝石的难题。本文针对这一制造领域的难点，比较系统地进行了短波长紫外激光和超短脉冲皮秒激光对蓝宝石毛坯片精细加工的实验研究。论文内容主要包括以下几个部分：（1）介绍了激光与物质作用的一般规律，分析了短波长紫外激光和超短脉冲皮秒激光与蓝宝石材料相互作用的理论机理。（2）开展了纳秒(~40ns)355nm紫外激光加工蓝宝石基片的实验

5、研究。通过控制单一变量法，研究了纳秒紫外激光器功率、扫描速度和扫描次数对0.55mm厚蓝宝石毛坯片加工的基本规律，并通过激光冲孔的方式确定纳秒紫外激光对蓝宝石基片损伤的峰值功率密度阈值为0.5×109W/cm2。最后，通过理论模型计算和实际激光刻蚀微槽实验的对比分析，确定了纳秒紫外激光加工蓝宝石过程主要为光热作用去除机理，热作用限制了其切割蓝宝石的质量和深度，即使其峰值功率密度达到109W/cm2，也不可实现对蓝宝石的图形切割。（3）开展了1064nm皮秒(~15ps)激光加工蓝宝石基片的实验研究。通过激光冲

6、孔实验确定了1064nm皮秒激光对蓝宝石基片损伤的峰值功率密度阈值为0.5×1012W/cm2，并通过激光扫描刻蚀微槽实验探究了激光功率、扫描速度和扫描次数对蓝宝石基片的加工规律，得到工艺参数的改变对微槽宽度无影响，但扫描次数的增加有利于提高加工质量的实验结果。结合基础实验规律，进行参数优化，采用分层扫描切割的方法成功在0.55mm厚蓝宝石毛坯片上切割出不同形状、不同尺寸的无崩边、裂纹等热现象的高质量图形结构。最后结合实验结果分析，确定蓝宝石材料在皮秒激光作用下可归结为一种“冷”消蚀的材料去除方式，其在加工蓝

7、宝石等硬脆性材料上存在一定优势。关键字：蓝宝石基片；纳秒紫外激光；皮秒红外激光；扫描刻蚀微槽；图形切割-I-AbstractAbstractSapphirecrystalhasbeenwidelyappliedtoindustry,nationaldefenseindustry,scientificresearchandotherfieldsduetoitsexcellentphysical,chemicalandopticalperformancesonhardness,chemicalstabilitya

8、ndtransmittance.Ithasbeenappliedonsuchashigh-endtableofthewearresistantsurface,theepitaxialsubstrateofsemiconductormaterialsandthewindowmaterialsforinfraredmilitarydevicesandmissiles.Itattractshighlyat