中国激光, 2019, 46 (4): 0402001, 网络出版: 2019-05-09   

单晶金刚石飞秒激光加工的烧蚀阈值实验 下载: 1741次

Experiment on Ablation Threshold of Single Crystal Diamond Produced by Femtosecond Laser Processing
陈根余 1,2,*朱智超 1,2殷赳 1,2熊彪 1,2金梦奇 1,2
作者单位
1 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室, 湖南 长沙 410082
2 湖南大学激光研究所, 湖南 长沙 410082
图 & 表

图 1. 高斯光束的能量密度分布图

Fig. 1. Energy density distribution diagram of Gauss beam

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图 2. 镶样后的金刚石样品

Fig. 2. Diamond sample after inlaying

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图 3. 实验装置示意图

Fig. 3. Schematic of experimental device

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图 4. 不同激光功率下的单脉冲烧蚀凹坑形貌

Fig. 4. Morphology of single pulse ablation pits obtained at different laser powers

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图 5. ln Pavg与D2间的关系

Fig. 5. Relationship between ln Pavg and D2

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图 6. 不同有效脉冲数和激光平均功率下得到的金刚石烧蚀槽的微观形貌。(a) N=31,Pavg=7.7 W;(b) N=31,Pavg=10.7 W;(c) N=31,Pavg=15 W;(d) N=124,Pavg=5.3 W;(e) N=124,Pavg=8.8 W;(f) N=124,Pavg=12.3 W;(g) N=486,Pavg=4.6 W;(h) N=486,Pavg=8.8 W;(i) N=486,Pavg=10.7 W;(j) N=972,Pavg=4.6 W; (k) N=972,Pavg=6.5 W;(l) N=972,Pavg=8.8 W

Fig. 6. Microscopic morphology of diamond ablated trough obtained at different effective pulse numbers and average laser powers. (a) N=31, Pavg=7.7 W; (b) N=31, Pavg=10.7 W; (c) N=31, Pavg=15 W; (d) N=124, Pavg=5.3 W; (e) N=124, Pavg=8.8 W; (f) N=124, Pavg=12.3 W; (g) N=486, Pavg=4.6 W; (h) N=486, Pavg=8.8 W; (i) N=486, Pavg=10.7 W; (j) N=972, Pavg=4.6 W; (k) N=972, Pavg=6.5 W; (l) N=972, Pavg=8.8 W

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图 7. 不同的有效脉冲数下B2与ln Pavg的关系

Fig. 7. Relationship between B2 and ln Pavg obtained at different effective pulse numbers

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图 8. 烧蚀阈值随有效激光脉冲数的变化

Fig. 8. Change of ablation threshold varying with effective pulse number

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图 9. 金刚石在不同烧蚀阶段的烧蚀效果。(a)弱烧蚀,N=31,Pavg=10.7 W;(b)强烧蚀,N=972,Pavg=6.5 W

Fig. 9. Ablation effect of diamond in different stages. (a) Weak ablation, N=31, Pavg=10.7 W; (b) strong ablation, N=972, Pavg=6.5 W

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表 1单晶金刚石的物理性能

Table1. Physical properties of monocrystal diamond

PropertyValue
Thermal conductivity λ /(W·cm-1·K-1)20
Density /(g·cm-3)3.515
Constant pressure specific heatcapacity /(J·g-1·K-1)1.827
Thermal diffusivity α /(cm2·s-1)3.114
Melting point or decomposition point /℃3700-4000
Refractive index2.417
Absorption rate (laser with awavelength of 1064 nm)0.25

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表 2实验中采用的激光平均功率及其对数

Table2. Average power and its logarithm used in experiment

NumberPavg/Wln(Pavg/W)NumberPavg/Wln(Pavg/W)
011.12.41820.73.03
112.32.51922.33.10
213.42.601023.43.15
315.02.711125.03.22
416.12.781226.53.28
517.32.851328.13.34
618.02.891429.43.38
720.03.001530.83.43

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表 3实验数据

Table3. Experimental data

NumberEffectivepulsenumberLaser scantimesAverage laserpower /W
14110,13.4,17.3
23187.7,10.7,15.0
3124325.3,8.8,12.3
44861254.6,8.8,10.7
59722504.6,6.5,8.8
619435003.8,5.7,7.7

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表 4不同脉冲数下单晶金刚石材料的烧蚀阈值

Table4. Ablation threshold of single crystal diamond obtained at different pulse numbers

Number123456
Effectivepulsenumber1311244869721943
Ablationthreshold /(J·cm-2)8.804.532.942.352.041.70

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陈根余, 朱智超, 殷赳, 熊彪, 金梦奇. 单晶金刚石飞秒激光加工的烧蚀阈值实验[J]. 中国激光, 2019, 46(4): 0402001. Genyu Chen, Zhichao Zhu, Jiu Yin, Biao Xiong, Mengqi Jin. Experiment on Ablation Threshold of Single Crystal Diamond Produced by Femtosecond Laser Processing[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(4): 0402001.

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