綠光激光拋光藍寶石晶體的熱作用機制研究.pdf

1、藍寶石是一種集優(yōu)異的光學性能、物理性能、機械性能和化學性能于一體的多功能氧化物(α-Al2O3),常用于工業(yè)、國防等領域。而傳統(tǒng)加工方法難以解決表面劃痕、碎裂、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532nm綠光激光器進行拋光藍寶石的試驗研究,作者在總結激光光熱作用、激光吸收率和激光拋光機理的基礎上,理論和實驗分析了激光偏振特性和入射角對吸收率的影響規(guī)律

2、；激光拋光藍寶石熔融、汽化、熱裂紋等熱作用機理產生的條件,并研究激光能量密度、激光重復頻率、掃描速度、入射角、和掃描方式等工藝參數(shù)下的綠光激光拋光藍寶石機理及其各工藝參數(shù)對激光拋光效果影響規(guī)律。
　　 藍寶石吸收率的測量:通過調偏光路獲得垂直或平行于入射面的線偏振光,改變激光入射角,測量入射、反射和透射激光功率,經過計算處理獲得吸收率的變化規(guī)律。
　　 1.理論計算了藍寶石表面對不同入射角下垂直和平行入射面線偏振532n

3、m激光的相應反射率,與實驗測量值比較,發(fā)現(xiàn)二者變化趨勢一致,吻合較好,證明了該測量方法的可行性。
　　 2.吸收率在任何偏振態(tài)激光下均隨著入射角θ的增大而增大,當θ值從10°增大到70°時,Aws由13.1％增大到38.0％,Awp由18.9％增大到53.8％。在入射角小于藍寶石布儒斯特角時,體吸收是引起吸收率增大的主要因素；當入射角大于藍寶石布儒斯特角時,吸收率隨入射角變化幅度則主要受激光的偏振性影響。
　　 藍寶石的

4、激光拋光:首先采用不同能量密度的激光對藍寶石表面進行單線掃描實驗,從而確定綠光激光拋光藍寶石的損壞閾值約為12.867J/cm2左右,從單線掃描實驗選擇激光拋光所使用的激光能量密度、激光束掃描速度、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,分析綠光激光拋光藍寶石的去除機理。并建立不同工藝參數(shù)對綠光激光拋光藍寶石去除方式的影響規(guī)律。通過激光共聚焦顯微鏡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,

5、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:532nm綠光激光拋光藍寶石的破壞閾值為12.684J/cm2,并證明了綠光激光與藍寶石相互作用主要是光熱作用。
　　 2.通過實驗研究機理得出:綠光激光拋光藍寶石過程存在熔融、汽化、熱裂紋等熱作用去除方式,并得到了藍寶石的破壞閾值為12.867 J/cm2,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12.684J/cm2時,以熔化

6、的熱作用形式為主；激光能量密度為22.528 J/cm2時,汽化去除；激光能量密度為26.056 J/cm2以上時,以蒸發(fā)、熱裂的熱作用形式為主。激光重復頻率為10kHz時,激光拋光藍寶石以蒸發(fā)、熱裂等熱作用去除形式為主；激光重復頻率為30kHz時,激光拋光藍寶石熔融、熱破碎去除形式共同起作用；激光重復頻率為50kHz時,吸收的綠光激光能量主要轉化為材料表面的熱能,對藍寶石的作用效果不顯著。掃描速度為10mm/s時,單位光斑內拋光次數(shù)多

7、,相鄰脈沖之間相互影響作用增強,拋光表面嚴重燒蝕；當掃描速度為170、210mm/s時,單位光斑內拋光次數(shù)減少,相鄰脈沖之間相互影響作用減低,接近于單脈沖拋光,主要以熔融汽化為主要去除方式。多次掃描主要以熱作用的去除方式為主。
　　 3.通過工藝規(guī)律研究得出:當激光能量密度達到藍寶石的破壞閾值時,隨著激光能量密度增大,拋光表面粗糙度先減小,當激光能量密度為20.694J/cm2時,拋光表面粗糙度最低,此后隨著激光能量密度的增加,

8、表面粗糙度逐漸增加。隨著激光重復頻率的增加,激光拋光表面粗糙度逐漸下降,當激光重復頻率為30kHz時此時拋光表面的粗糙度最低。當激光重復頻率為45kHz時,表面材料幾乎沒有被去除,表面粗糙度恢復到原始表面粗糙度值。當掃描速度為50mm/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170mm/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。隨著入射