飞秒激光脉冲在金属材料上诱导形成表面周期性结构的实验研究.pdf

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1、飞秒激光脉冲在金属材料上诱导形成表面周期性结构的实验研究谢俊2015年1月中图分类号：TN249UDC分类号：535.8飞秒激光脉冲在金属材料上诱导形成表面周期性结构的实验研究作者姓名谢俊学院名称机械与车辆学院指导教师王锋副教授答辩委员会主席胡洁教授申请学位工学硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月ExperimentalResearchofFemtosecondLaserPulseInducedPeriodicSurfaceStructuresonMetalsCandidateName：JunXieSch

2、oolorDepartment:SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:ViceProf.FengWangChair,ThesisCommittee：Prof.JieHuDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研

3、究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位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理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要在过去几年里，飞秒激光由于其独特的加工优势已经被证明为一种非常有前景的加工方法，尤其是加工金属、电介质以及半导体等固体材料。因为飞秒激光加工具有很短的热持续时间以及快速的固-汽相转变机制，因此可以限制加工过程中的热扩散现象，从而实现高质量、高精度、

4、高效率的微纳加工。本文的研究目的是基于电子动态调控的思想，使用飞秒激光单脉冲以及飞秒激光脉冲序列加工金属铝和铜，研究了在金属表面诱导加工的微纳结构的形貌以及质量与激光参数之间的依赖关系，并比较了飞秒激光单脉冲和飞秒激光脉冲序列在控制金属上微纳结构形貌及质量上的差异。本论文的创新点以及主要研究结果概括如下：（1）采用飞秒激光单脉冲在金属铝表面诱导形成表面周期性结构，实验分析发现：随着激光脉冲个数的增加，铝表面周期性结构的形貌逐渐清晰、质量逐渐变好，但是波纹的周期随着脉冲个数的增加几乎保持不变；当激光能量密度增加时，金属铝表面烧蚀区域的面积有

5、明显的增加，并且波纹的周期也随着能量密度的增加而变大，初步认为是由于材料表面自由电子密度增大的原因。（2）通过使用脉冲序列对电子激发、电子密度、电子复合以及电子电离等电子状态进行调控，可以有效的控制加工结构的尺寸。即增加双脉冲之间的时间间隔可以使烧蚀区域尺寸明显减小。另外，使用脉冲序列在金属铜表面扫描加工可以获得高质量、高均匀性、高清晰性的大面积波纹结构，得出脉冲序列控制大面积结构的形貌以及质量比单脉冲加工更有效。这种基于电子状态调控的脉冲序列加工技术为高精度、高效率、高质量的加工提供了一种可靠的加工方法。（3）利用飞秒激光单脉冲加工金属

6、铜，实验发现当保持激光能量密度不变时，铜表面烧蚀区域直径随着脉冲个数的增加而增大，而脉冲个数相同时，烧蚀区域直径随着激光能量密度的增加而增加。激光烧蚀金属铜表面的热影响区深度随脉冲个数的增加而增加，而随着激光能量密度的增加而减小。另外，在铜表面烧蚀坑壁上形成了交叉的波纹结构，对于交叉结构形成的机理给予初步解释。研究还发现利用飞秒激光单脉冲在铜表面加工大面积波纹结构时，波纹结构的形貌随着扫描速度的增加逐渐变得模糊，即波纹结构的形貌和扫描速度密切相关。关键词：飞秒激光；表面周期性结构；脉冲序列；金属材料IAbstractOverthelast

7、fewyears,femtosecondlaserhasproventobeaverypromisingtoolforprocessingsolidmaterialsbecauseofitsspeciallymachiningadvantages,especiallyformetals,dielectricsandsemiconductors.Theamountofthermaldiffusioncanbelimitedbecauseoftheveryshotheatingdurationandrapidsolid-tovaporphas

8、etransition.Thus,itcanleadtoahighquality,highprecisionandhighefficiencymicromachiningprocess.Thi