紫外激光拋光藍寶石的機理及工藝規(guī)律研究.pdf

1、藍寶石具有高耐磨性、高硬度、高脆性、化學性能穩(wěn)定等特點，是工業(yè)、國防和科研等領域常使用的難加工材料。而傳統(tǒng)加工方法難以解決表面劃痕、加工效率低、返工率高等問題。激光拋光藍寶石具有傳統(tǒng)加工方法無可比擬的優(yōu)點，有很大的發(fā)展空間。 本文采用波長為355nm紫外激光器進行拋光藍寶石的試驗研究，作者在總結(jié)激光微細加工、激光加工機理以及激光拋光工藝技術研究的基礎上，從理論和實驗分析了激光拋光藍寶石熱作用機理和光化學作用機理產(chǎn)生的條件，并研究

2、脈沖能量、激光重復頻率、掃描速度、入射角、掃描方式和表面初始狀況等工藝參數(shù)下的紫外激光拋光藍寶石機理及其各工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律。 首先采用不同脈沖能量密度的激光對藍寶石表面進行單線掃描實驗，從而確定紫外激光拋光藍寶石的損壞閾值約為28.6J/c㎡左右，從單線掃描實驗選擇激光拋光所使用的脈沖能量密度、掃描速度、激光重復頻率等工藝參數(shù)。通過掃描電鏡（SEM）觀測藍寶石表面形貌，分析紫外激光拋光藍寶石的去除機理。并建立不同工

3、藝參數(shù)對紫外激光拋光藍寶石去除方式的影響規(guī)律。通過激光共聚焦掃描儀、白光干涉儀和和馬爾輪廓儀測量拋光前后的表面粗糙度。并建立不同工藝參數(shù)條件下，激光拋光藍寶石的表面粗糙度Ra的變化規(guī)律。 1.理論推導得出：355nm紫外激光拋光藍寶石的破壞閾值30J/c㎡，并證明了紫外激光與藍寶石相互作用同時存在熱作用和光化學作用的去除機理；藍寶石的去除材料深度與紫外激光平均功率密度成正比，同時驗證了激光光束入射角的選擇與表面初始狀況有關，且存

4、在--掃描速度使拋光效果最佳。 2.通過實驗研究機理得出：紫外激光拋光藍寶石過程存在熱作用和光化學作用去除方式。并得到了藍寶石的破壞閾值為28.6J/c㎡，接近于理論推導值。且此時以熔化的熱作用形式為主，當激光能量密度為36.4J/c㎡時，光化學作用和熱作用同時存在，激光能量密度為41.6J/c㎡時，以蒸發(fā)、熱裂的熱作用形式為主。掃描速度為10mm/s時，激光拋光藍寶石以光化學作用為主要去除材料形式，當掃描速度為50、90mm/

5、s時，激光拋光藍寶石存在多光子吸收的光化學作用和熱作用去除材料形式。激光重復頻率為10kHz時，激光拋光以蒸發(fā)、熱裂等熱作用去除形式為主。激光重復頻率為30kHz時，激光拋光藍寶石以光化學作用和熱作用去除形式共同起作用。激光重復頻率為50kHz時，對藍寶石的作用效果不顯著。掃描次數(shù)越多，熱作用越明顯。不同藍寶石表面初始形貌通過紫外激光拋光具有不同的去除方式。紫外激光拋光機械加工后的藍寶石以裂紋和褶皺等熱作用去除方式。而拋光綠光拋光后的藍

6、寶石以顆粒細化的形式為主。 3.通過工藝規(guī)律研究得出：隨著脈沖能量密度增大，拋光表面粗糙度減小，脈沖能量密度在36.4J/c㎡拋光效果最好，當掃描速度為20mm/s時，拋光表面粗糙度很大，但隨著激光掃描速度的增加，表面粗糙度逐漸下降，當掃描速度為90mm/s時，拋光后的表面粗糙度最低。此時，當繼續(xù)增加掃描速度時，拋光表面粗糙度又逐漸增加到原始表面粗糙度值。入射角為30°和50°的拋光效果要比入射角為0°的拋光效果好。在激光能量密