殘余應力應變的計算方法及在飛秒激光加工中的應用研究.pdf

1、飛秒激光微加工是一種新型的激光微細加工方法，它具有高度的空間選擇性和極小的附帶損傷。隨著國防、航天等高技術(shù)行業(yè)的發(fā)展，對超精密加工精度的要求越來越高，有必要使飛秒激光加工本身已經(jīng)很小的附帶損傷進一步減小，以適應技術(shù)進步對超精密加工精度越來越高的要求。在飛秒激光微加工產(chǎn)生的附帶損傷中，殘余應力應變比較常見，它會對加工后的微器件性能有較大影響。因此，研究飛秒激光加工后材料的殘余應力應變具有十分重要的意義。
　　飛秒激光燒蝕加工硅片后，

2、加工區(qū)域周圍的殘余應力分布區(qū)很小，應力的位置梯度很大，目前的殘余應力測量方法在測量分布區(qū)域小、梯度大的殘余應力方面存在不足。飛秒激光在石英內(nèi)部微爆能使加工區(qū)周圍的應變和折射率發(fā)生變化，從而加工出微光學器件。目前，光學測量折射率的方法不能區(qū)分折射率變化是由色心還是由密實化產(chǎn)生的。納米壓痕法是一種優(yōu)良的殘余應力應變檢測方法，國內(nèi)外學者利用納米壓痕法計算殘余應力應變的方法各異，目前還沒有一個公認的權(quán)威公式。本文提出了利用納米壓痕來表征飛秒激光

3、燒蝕硅片后殘余應力和石英微爆后殘余應變的方法，利用加工后樣品的折合模量和硬度的測量值與沒有殘余應力應變時的相應值之間的差異，分別對殘余應力和塑性殘余應變進行了研究。本文的具體工作如下：
　　對飛秒激光微加工后的殘余應力應變和利用納米壓痕法測量殘余應力應變的研究現(xiàn)狀進行了綜述分析，提出了利用納米壓痕法研究飛秒激光燒蝕和微爆加工后產(chǎn)生的殘余應力應變的方案。
　　分析了殘余應力和應變對折合模量和硬度的影響。當有殘余應力和殘余應變時

4、，對計算折合模量和硬度時采用的校正因子和針尖形狀參數(shù)進行了修正。利用修正后的校正因子和針尖形狀參數(shù)求解折合模量和硬度，可以消除由殘余應力和應變帶來的折合模量和硬度測量偏差。這解決了關(guān)于殘余應力應變是否對折合模量和硬度有影響這個問題上兩種觀點的矛盾。
　　在進行納米壓痕實驗時，殘余應力和殘余應變會對壓痕邊緣材料的堆積和陷入量以及載荷-壓深曲線產(chǎn)生影響，這會影響納米壓痕時的折合模量和硬度值的測量值。本文提出了利用折合模量和硬度值的變化

5、間接求取殘余應力和塑性殘余應變的方法，分別建立了殘余應力和塑性殘余應變與納米壓痕儀測量得出的折合模量和硬度值之間的關(guān)系式。飛秒激光對單晶硅片表面進行燒蝕加工后，加工區(qū)域周圍形貌發(fā)生了顯著變化，X射線衍射結(jié)果表明此時產(chǎn)生了顯著的殘余應力應變。利用納米壓痕法研究了飛秒激光對單晶硅片進行燒蝕后燒蝕區(qū)域周圍的納米力學特性，結(jié)果折合模量發(fā)生了顯著變化，而硬度則幾乎沒發(fā)生變化。利用隨位置變化的折合模量測量值求取了飛秒激光加工單晶硅片后加工區(qū)附近的殘

6、余應力情況，繪制出了殘余應力在不同位置的分布圖。
　　利用飛秒激光對石英亞表面進行光波導微爆加工，用納米壓痕法研究了光波導周圍的殘余應力和塑性殘余應變分布情況，發(fā)現(xiàn)折合模量和硬度均發(fā)生了顯著變化。從硬度測量值的變化中求取了距離光波導中心不同距離處的平均塑性殘余應變分布情況，繪制出了塑性殘余應變隨位置的分布圖。對局部塑性殘余應變進行了求解，進而利用應變、密實化和折射率變化之間的關(guān)系對光波導周圍材料的密實化和由密實化產(chǎn)生的折射率變化情