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机械仪表工业

脉冲激光加工技术

作者：梅雪松，赵万芹，王文君，崔健磊

出版社：科学出版社出版时间：2023-04-01

开本： B5 页数： 416

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版权信息
内容简介
目录
节选

脉冲激光加工技术版权信息

ISBN：9787030743343
条形码：9787030743343 ; 978-7-03-074334-3
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
工业技术
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机械仪表工业

脉冲激光加工技术内容简介

本书总结了脉冲激光的主要工艺技术，系统阐述了脉冲激光的加工原理、技术和装备。全书共6章，分为概述、脉冲激光加工原理、激光加工技术及其发展趋势和激光加工装备等4个部分，主要内容包括：脉冲激光加工原理、毫秒激光加工技术（热障涂层激光重熔加工，毫秒激光深孔加工技术，毫秒激光复合加工技术），纳秒激光加工技术（纳秒激光冲击强化，纳秒激光陶瓷基板表面高质量群孔加工，纳秒激光锂离子电池集流体高密度群孔加工，纳秒激光金刚石表面铣削加工，纳秒激工金刚石高质高效切割技术，）、超快激光加工技术（超快激光高温部件气膜孔加工，超快激光陶瓷型芯精密修形技术，超快激光碳化硅晶体深孔加工，超快激光表面抛光技术，超快激光表面标印技术），和激光加工装备等。

脉冲激光加工技术目录

目录
前言
第1章概述1
1.1激光的原理与分类1
1.2材料加工的脉冲激光5
1.3脉冲激光材料去除机理7
1.3.1毫秒激光材料去除机理7
1.3.2纳秒激光材料去除机理9
1.3.3超快激光材料去除机理10
1.4脉冲激光加工技术11
参考文献14
第2章脉冲激光加工过程的仿真分析16
2.1毫秒激光加工过程的数值分析和仿真分析16
2.1.1毫秒激光加工过程的数值分析16
2.1.2毫秒激光加工陶瓷金属多层材料的仿真分析21
2.2纳秒激光加工过程的建模与仿真32
2.2.1纳秒激光刻蚀金属的等离子体动力学33
2.2.2纳秒激光刻蚀陶瓷材料的光热化学作用39
2.3超快激光加工过程的建模与仿真47
2.3.1金属内雪崩电离过程48
2.3.2陶瓷基材料多光子电离/雪崩电离过程及能量传递分析55
2.3.3基于分子动力学的材料刻蚀过程63
参考文献75
第3章毫秒激光加工技术79
3.1毫秒激光热障涂层激光重熔加工79
3.1.1热障涂层激光重熔技术79
3.1.2毫秒激光重熔对热障涂层结构组织的影响81
3.1.3毫秒激光重熔对热障涂层抗热震性能的影响92
3.2毫秒激光深孔加工技术102
3.2.1激光打孔工艺分类102
3.2.2激光旋切打孔加工通孔104
3.2.3调制脉冲激光叩击打孔119
3.3毫秒激光复合加工技术143
3.3.1外冲液激光电解复合制孔144
3.3.2内冲液电解实验152
3.3.3激光电解复合加工叶片气膜孔155
参考文献155
4.1纳秒激光镍基高温合金表面冲击强化技术157
4.1.1镍基高温合金表面冲击强化技术157
4.1.2纳秒激光镍基多晶高温合金冲击强化技术158
4.1.3纳秒激光镍基单晶高温合金冲击强化技术167
4.2纳秒激光陶瓷基板表面群孔加工178
4.2.1陶瓷基板表面群孔加工178
4.2.2纳秒激光加工参数对孔尺寸的影响178
4.2.3纳秒激光加工参数对孔形貌的影响186
4.2.4纳秒激光陶瓷基板表面高质量群孔加工192
4.3纳秒激光调控加工金刚石微槽技术198
4.3.1金刚石热沉微流道加工198
4.3.2纳秒激光调控加工金刚石热沉集流槽199
4.3.3纳秒激光调控加工大深宽比金刚石盲槽202
4.4纳秒激光金刚石高质高效切割技术211
4.4.1金刚石切割211
4.4.2纳秒激光贯通切割金刚石的工艺213
4.4.3纳秒激光切割轮廓精度的调控222
4.4.4纳秒激光金刚石刀具高质高效切割228
参考文献230
第5章超快激光加工技术233
5.1超快激光高温部件气膜孔加工技术233
5.1.1高温部件气膜冷却孔加工技术233
5.1.2飞秒超快激光加工气膜冷却孔基础工艺235
5.1.3飞秒超快激光加工高温部件气膜冷却孔258
5.2超快激光陶瓷型芯精密修型技术261
5.2.1陶瓷型芯精密修型261
5.2.2飞秒超快激光陶瓷型芯加工技术266
5.2.3皮秒超快激光陶瓷型芯加工技术282
5.2.4陶瓷型芯高质高效精密修型技术292
5.3超快激光碳化硅晶体深孔加工技术294
5.3.1碳化硅晶体深孔加工294
5.3.2飞秒超快激光叩击打孔碳化硅晶体深孔296
5.3.3飞秒超快激光叩击打孔高质量碳化硅晶体深孔303
5.3.4飞秒超快激光旋切打孔碳化硅晶体深孔311
5.4超快激光碳化硅陶瓷表面精密抛光技术317
5.4.1碳化硅陶瓷表面精密抛光317
5.4.2飞秒超快激光抛光工艺319
5.4.3飞秒超快激光碳化硅陶瓷材料抛光的氧化行为330
5.5超快激光高温合金表面标印技术336
5.5.1表面标印336
5.5.2飞秒超快激光烧蚀复合诱导制备结构单元338
5.5.3飞秒超快激光直冲式离焦制备结构单元346
5.5.4高温合金表面高效高质量标印363
参考文献364
第6章激光加工装备373
6.1激光加工装备主要组成系统373
6.1.1激光器373
6.1.2光路系统382
6.1.3实时监控388
6.1.4运动装置和控制389
6.2激光加工装备控制系统393
6.2.1振镜控制393
6.2.2扫描振镜多轴加工系统397
6.3激光加工装备案例399
6.3.1纳秒激光群孔加工装备399
6.3.2激光电解复合气膜冷却孔加工装备402
参考文献408

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脉冲激光加工技术节选

第1章概述 1.1激光的原理与分类激光是20世纪以来继核能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“*快的刀”“*准的尺”“*亮的光”。激光产生于物质微观粒子态的变化。原子内电子通过吸收或释放光子而在各高、低能级之间跃迁，可细分为以下三种形式：（1）自发吸收。原子内电子通过吸收光子而获得能量，从低能级跃迁至高能级，如图1.1（a）所示。（2）自发辐照。原子内电子自发地释放光子使自身能量降低，从高能级跃迁至低能级，如图1.1（b）所示。（3）受激辐照。光子入射到物质内部，会使高能级电子在光子的激发下从高能级跃迁至低能级，同时辐照出一个与入射光子具有完全相同状态（相同的波长、相位、频率和方向）的光子，致使完全无法区分出两者的差异，这一现象便是电子的受激辐照，如图1.1（c）所示，辐照出的光子的波长即对应于高、低能级之间的能量差。爱因斯坦从理论上指出受激辐照的存在和光放大的可能，奠定了激光是由电子的受激辐照机制产生的理论基础。因此，激光*初称为镭射或莱塞（light amplification by stimulated emission of radiation，LASER）。与普通光相比，经过受激辐照产生的激光具有以下四大专属特性。（1）方向性好：激光的高方向性使其能在有效传递较长距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。（2）亮度高：激光的亮度较高，且具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千摄氏度乃至上万摄氏度的高温，这使其几乎能够对所有材料进行加工。（3）单色性好：在整个产生机制中，只会产生一种波长的光，从而保证光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度和极小的光斑尺寸。（4）相干性好：主要描述作为光波时激光各个部分的相位关系，所有光子都有相同的相位和偏振，它们叠加起来便产生较大的强度。激光器是指能发射激光的装置。1960年，世界上**台激光器问世，其是由美国科学家Maiman［1］根据量子电子学的发展而研制出的一台红宝石激光器。1961年，Javan等［2］研制出了首*气体激光器——氦氖激光器；1962年，其又应用半导体材料成功研制出了气体激光器。1964年，美国贝尔实验室的科学家Patel［3］成功研制出了CO2激光器钇铝石榴石（yttrium aluminium garnet，YAG）。从此之后，各种类型的激光器不断涌现，为实验研究和商业应用创造了条件。由于激光的发展以及实验条件的改善，实验相比以前更容易实现。激光器的应用开始进入快速发展阶段，在激光器发展的基础上，研究人员开始对激光与物质的相互作用展开广泛研究。自**台激光器问世，人们就开始着手研究如何获得更窄激光脉冲宽度的方法。研究发现，脉冲压缩是解决激光领域中脉冲宽度的重要手段。在脉冲压缩过程中，调Q技术以及锁模技术是使用*多的两种技术，其不仅可以提高脉冲峰值功率，而且高效实用。 1961年，Hellwarth［4］为了实现脉冲激光的输出，首先提出调Q的概念。其表达式为（1.1）根据上述定义，得到调Q所采用的原理：泵浦开始时刻，激光器谐振腔处于高损耗低Q值状态，不能满足激光器的振荡条件，但是激光器一直处于泵浦脉冲的激励中，将得到很高的粒子数密度，当反转粒子数密度达到峰值时，谐振腔的Q值会突然增大，迅速满足激光器振荡的条件，而且反转粒子数密度远远大于反转粒子数密度阈值，迅速建立起激光振荡，突然的变化使功率在很短时间内达到峰值，同时存储在亚稳态的粒子所具有的能量迅速转化为光子的能量，反转粒子的能量很快耗尽，脉冲结束，光子以极高的速率增长，此时激光器输出的光脉冲具有脉冲宽度窄和峰值功率高的特点。 1961年，Hellwarht采用被动调Q技术首次使红宝石激光器产生了纳秒量级的短脉冲激光，激光脉冲脉度为几十纳秒。1965年，Mocker等［5］利用被动调Q技术取得了更进一步的研究成果，把脉冲宽度缩短到10ns以下。根据原理，利用调Q技术得到的脉冲宽度的极限为2L/c（L为激光器谐振腔的长度；c为真空中的光速），因此根据调Q技术得到的大都是纳秒脉冲宽度的激光。为了得到更窄的激光脉冲，有学者提出了锁模技术。锁模技术，即锁相技术，是指将多个纵模激光器中各个纵模的初相位关系固定，形成等时间间隔的光脉冲序列，使得每个振荡模之间有固定的频率差，保证每个振荡模之间的相位也是相对固定的。在锁模技术中，激光输出的是间隔相等的规则脉冲，间隔为2L/c，但是与调Q技术相比，其脉冲宽度变得更窄，*窄可以达到调Q技术产生的脉冲的1/（2N+1），其中2N+1表示锁模中纵模的个数。根据上述脉冲宽度和纵模之间的关系，锁模技术输出的*高功率密度可以达到调Q技术的2N+1倍。例如，固体激光器的锁模数可能达到103～104个，这样峰值功率会产生很高的窄脉冲。综上，锁模技术是实现脉冲变窄的重要手段之一。随着激光锁模技术的不断发展，脉冲宽度越来越窄，因此超短脉冲激光器迎来了快速发展时期。*先发展且被应用到超短脉冲激光器的锁模技术是被动锁模技术。1965年，Mocker等［5］首次在红宝石激光器上使用了被动锁模技术，此后，他们又陆续将被动锁模技术应用到钕玻璃和掺钕钇铝石榴石（neodymium-doped yttrium aluminium garnet，Nd：YAG）激光器上。1966年，Demaria［6］采用该技术首次得到了皮秒激光。皮秒激光的主要特点是10-12s量级的脉冲宽度以及更大的脉冲功率。达到皮秒级的脉冲宽度可以实现对瞬态基元反应的研究。以前，光源能量限制了对许多微弱高级非线性现象的研究，随着皮秒激光的问世，这些研究成为现实。短脉冲激光发展到今天，已经有很多非线性现象得到了研究和解释。皮秒激光也可用来泵浦反应物分子，使反应物分子能够从基态被激发到激发态，也可以用来探测，根据物质的激发态或者中间瞬态行为探测物质的结构，如快速的瞬态现象、超快弛豫过程，以及能级寿命的测量、动力学中的碰撞等。激光技术的快速发展，极大地推动了脉冲压缩技术的进步，人们在皮秒激光之后得到了飞秒激光。1976年，在染料激光器中首次产生了飞秒激光［7］。1982年，美国贝尔实验室首次产生了90fs的激光脉冲，三年后，该实验室使用新技术产生了27fs的激光脉冲。Fork等［8］和French等［9］使用碰撞脉冲锁模（colliding pulse mode-locking，CPM）环形染料激光器得到了19fs的激光脉冲。激光器大多由泵浦源、激光介质和谐振腔三部分组成。激光的产生必须选择合适的激光介质，如气体、液体或固体，激光介质可以实现粒子数反转，是获得激光的必要条件。为了使激光介质中出现粒子数反转，必须用一定的能量去激励原子体系，增加处于上能级的粒子数，泵浦源就是产生光能、电能或化学能的激励装置。有了合适的激光介质和泵浦源，就可以实现粒子数反转，但这样产生的受激辐照强度很弱，无法获得实际应用，需要通过谐振腔进行放大。谐振腔实际是在激光器两端对称地装上两面反射镜，一面几乎全反射，另一面是大部分反射、少量透射的耦合镜，以使激光可以透过并射出，被反射回激光介质的光继续诱发新的受激辐照，从而在光学谐振腔中来回振荡放大，*后从耦合镜的一端输出。激光器按激光介质的不同可以分为气体激光器、固体激光器和液体激光器等，按工作方式的不同可以分为连续激光器和脉冲激光器。连续激光器可以在较长一段时间内连续输出，工作稳定、热效应高。脉冲激光器以脉冲形式输出，主要特点是峰值功率高、热效应低。在对激光技术不断认知的过程中，也从未停止对高性能、高质量激光技术的探索。脉冲激光的输出波长范围覆盖了从红外（infrared，IR）到紫外（ultraviolet，UV）的全光波段，输出的脉冲宽度越来越窄，经历了毫秒（1ms=10-3s）、皮秒（1ps=10-12s）、飞秒（1fs=10-15s）直至阿秒（1as=10-18s）的超短脉宽输出，与此同时，输出的能量强度越来越高，经历了兆瓦（1MW=106W）、吉瓦（1GW=109W）、太瓦（1TW=1012W）甚至拍瓦（1PW=1015W）量级的超强脉冲输出。由此可见，脉冲激光正朝着脉冲宽度越来越窄、峰值功率越来越高的方向不断前进。下面给出常见的脉冲激光器。（1）准连续波激光器。准连续波（quasi-continuous wave，QCW）激光器也称为长脉冲激光器，可以产生毫秒量级的脉冲，占空比为10%。这使得脉冲激光具有比连续激光高10倍以上的峰值功率，对钻孔等应用来说非常有利。（2）纳秒激光器。二极管泵浦固态（diode pumped solid state，DPSS）激光器是在20世纪90年代末被首次引入工业环境的。**台此类激光器仅具有几瓦的低输出功率，波长为355nm。在二极管泵浦之前，使用灯泵浦可获得激光，但是这类激光器非常不可靠。当时，几瓦的纳秒紫外光的成本超过10万美元。随后，纳秒激光器市场越来越成熟，可从许多不同的制造商（提供红外、可见和紫外波长）处购买到纳秒激光器。在大多数情况下，纳秒激光器的脉冲持续时间介于几十纳秒到几百纳秒。这类短脉冲激光器广泛用于打标、钻孔、医疗、快速成型等领域。（3）皮秒激光器。近年来，全固态皮秒激光器在材料微加工、激光光谱分析、激光光通信、非线性频率变换、激光检测与计量等方面发挥着重要作用。其中，在进行金属加工时，激光脉冲宽度并不是越短越好，因为当利用脉冲宽度低于5ps的激光进行加工时，会产生非线性效应，这一情况对金属材料的激光加工非常不利。综上所述，脉冲宽度在10ps左右的皮秒激光是进行金属激光微加工的*佳选择。皮秒激光器在微加工领域具有热影响区小、对材料损伤极低等优点，并且皮秒激光器本身结构简单、造价低、稳定可靠，高重复频率提高了加工效率、降低了单件成本。（4）飞秒激光器。飞秒激光器是一种脉冲激光器。飞秒是指脉冲的持续时间，与脉冲的频率不同。脉冲的频率是指1s内激光器发出的脉冲数目。飞秒激光器具有非常高的瞬时功率，可达百万亿瓦，比目前全世界的发电总功率还要高出上百倍；物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，即气态的物质、液态的物质、固态的物质都会瞬间变成等离子体；利用飞秒激光进行手术，没有热效应和冲击波，在整个光程中都不会有组织损伤。因此，飞秒激光广泛应用在激光医疗、精密钻孔、精密切割、超微细加工等领域。 1.2材料加工的脉冲激光激光的脉冲宽度是一个重要参数，是指单个激光脉冲释放能量真正作用于材料的时间。材料加工用的脉冲激光主要包括：长脉冲激光，主要指毫秒脉冲激光（millisecond pulse laser，MPL），简称毫秒激光，常见脉冲宽度为1～1000ms；短脉冲激光，主要指纳秒脉冲激光（nanosecond pulse laser，NPL），简称纳秒激光，常见脉冲宽度为1～1000ns；超短脉冲激光（ultrashort pulse laser，UPL），又称超快激光，包括皮秒超快激光和飞秒超快激光，普遍脉冲宽度≤10ps。将脉冲激光作用于材料表面，是一种无接触、微细精密、高灵活性的先进加工技术，是先进激光应用的重要方向之一。与传统的加工技术不同，脉冲激光加工的主要特点包括：普适性，即对材料硬度、脆性、熔点等不敏感，可以加工陶瓷、玻璃等硬脆材料以及镍基高温合金等高熔点材料；高分辨率，即具有发散角小，激光光斑直径可以聚焦到纳米量级，进而实现高精密微细加工；高自动化，即激光易于导向，易与数控技术结合，进而实现对复杂样品的加工，具有高灵活加工的特点。脉冲激光器是指单个激光脉冲宽度小于0.25s，每间隔一定时间才发出一次光束的

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