紫外激光拋光藍(lán)寶石的機(jī)理及工藝規(guī)律研究.pdf

1、藍(lán)寶石具有高耐磨性、高硬度、高脆性、化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，是工業(yè)、國防和科研等領(lǐng)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(lán)寶石具有傳統(tǒng)加工方法無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，有很大的發(fā)展空間。 本文采用波長為355nm紫外激光器進(jìn)行拋光藍(lán)寶石的試驗(yàn)研究，作者在總結(jié)激光微細(xì)加工、激光加工機(jī)理以及激光拋光工藝技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，從理論和實(shí)驗(yàn)分析了激光拋光藍(lán)寶石熱作用機(jī)理和光化學(xué)作用機(jī)理產(chǎn)生的條件，并研究

2、脈沖能量、激光重復(fù)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(lán)寶石機(jī)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(lán)寶石表面進(jìn)行單線掃描實(shí)驗(yàn)，從而確定紫外激光拋光藍(lán)寶石的損壞閾值約為28.6J/c㎡左右，從單線掃描實(shí)驗(yàn)選擇激光拋光所使用的脈沖能量密度、掃描速度、激光重復(fù)頻率等工藝參數(shù)。通過掃描電鏡（SEM）觀測藍(lán)寶石表面形貌，分析紫外激光拋光藍(lán)寶石的去除機(jī)理。并建立不同工

3、藝參數(shù)對紫外激光拋光藍(lán)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(lán)寶石的表面粗糙度Ra的變化規(guī)律。 1.理論推導(dǎo)得出：355nm紫外激光拋光藍(lán)寶石的破壞閾值30J/c㎡，并證明了紫外激光與藍(lán)寶石相互作用同時存在熱作用和光化學(xué)作用的去除機(jī)理；藍(lán)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(yàn)證了激光光束入射角的選擇與表面初始狀況有關(guān)，且存

4、在--掃描速度使拋光效果最佳。 2.通過實(shí)驗(yàn)研究機(jī)理得出：紫外激光拋光藍(lán)寶石過程存在熱作用和光化學(xué)作用去除方式。并得到了藍(lán)寶石的破壞閾值為28.6J/c㎡，接近于理論推導(dǎo)值。且此時以熔化的熱作用形式為主，當(dāng)激光能量密度為36.4J/c㎡時，光化學(xué)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(lán)寶石以光化學(xué)作用為主要去除材料形式，當(dāng)掃描速度為50、90mm/

5、s時，激光拋光藍(lán)寶石存在多光子吸收的光化學(xué)作用和熱作用去除材料形式。激光重復(fù)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(fù)頻率為30kHz時，激光拋光藍(lán)寶石以光化學(xué)作用和熱作用去除形式共同起作用。激光重復(fù)頻率為50kHz時，對藍(lán)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(lán)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(jī)械加工后的藍(lán)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(lán)

6、寶石以顆粒細(xì)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(dāng)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(dāng)掃描速度為90mm/s時，拋光后的表面粗糙度最低。此時，當(dāng)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