1 湖北文理学院机械工程学院，湖北 襄阳 441053
2 湖南工业大学机械工程学院，湖南 株洲 412007
根据面齿轮材料18Cr2Ni4WA的飞秒激光扫描加工中的温度传递过程，建立了三温传热模型，并建立了扫描加工中的多脉冲能量累积模型。仿真分析了改变激光能量密度对烧蚀材料时电子晶格温度的变化，多脉冲加载下电子、晶格和材料表面最高温度的变化，以及改变扫描速度和扫描间距对加载能量的变化，结果表明随着能量密度的增大，电子最高温度从37000 K上升至44000 K、最终平衡温度从17000 K上升至22000 K。在多脉冲的加载下，随着能量密度的增大，电子最高温度也有一定程度的增大，并且材料表面最高温度的平衡温度也会增大，从2600 K上升至3250 K。随着扫描速度和扫描间距的增大，多脉冲累积能量有一定的减小，能量分布尺度在增大。试验分析了不同能量密度、扫描速度和扫描间距对飞秒激光烧蚀面齿轮材料的影响，并对烧蚀形貌进行了粗糙度分析，结果表明，当能量密度为4.34 J/cm2、扫描速度为300 mm/s、扫描间距为18 μm时，烧蚀形貌质量较好。该研究为提高飞秒激光扫描加工面齿轮材料的表面形貌质量提供了研究基础。
激光光学 飞秒激光 三温传热模型 扫描速度 能量累积效应 扫描间距 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0914004
1 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094
2 北京市遥感信息研究所, 北京 100192
3 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 长春 130033
为了测量飞秒激光对多光谱滤波片的损伤阈值, 采用钛∶蓝宝石飞秒脉冲激光(800nm、50fs)对多光谱滤光片的前膜进行了激光损伤阈值的实验研究, 并使用显微镜观测了滤光片前膜的损伤形貌。结果表明, 薄膜在不同脉冲辐照次数(1, 2, 5和10)下, 前膜损伤阈值分别为1.68J/cm2,1.56J/cm2,1.44J/cm2和1.42J/cm2, 随着脉冲辐照次数的增加, 损伤阈值降低, 激光脉冲的重复辐射会对薄膜形成累积效应; 由于飞秒激光的宽度极短, 薄膜导带电子由多光子电离产生, 并迅速吸收激光能量, 当其能量大于材料的带隙能时, 会与价带电子发生碰撞产生另一个电子, 进而形成大量的自由电子, 对薄膜造成损伤; 在1-on-1和2-on-1测试方法下, 随着飞秒激光能量密度的增加, 前膜损伤区域的轮廓越来越清晰、规整, 并逐渐出现清晰的分层现象, 这归因于前膜干涉场的分布不同。该研究对多光谱滤波光膜在飞秒激光作用下的损伤效果提供了参考。
薄膜 激光损伤 飞秒激光 损伤阈值 累积效应 干涉场 thin films laser damage femtosecond laser damage threshold cumulative effect interference field
强激光与粒子束
2022, 34(4): 041005
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 吉林 长春130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094
随着光电对抗和超短脉冲激光技术的发展，研究超短脉冲激光与单晶硅相互作用具有非常重要的理论和实际意义。为了进一步明确532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤机理，本文开展了532 nm皮秒脉冲激光辐照单晶硅的损伤效应实验研究，测定了损伤阈值，明确了损伤机理，探讨了低通量下的脉冲累积效应。首先，利用波长为532 nm、脉冲宽度为30 ps的激光器和金相显微镜，基于1-on-1的激光损伤测试方法，测定了单晶硅的零损伤概率阈值为0.52 J/cm2；其次，研究了皮秒激光辐照单晶硅在不同激光能量密度下的损伤形貌，发现532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤表现为热影响损伤和等离子体冲击损伤，随着激光能量密度的增大，按主要的损伤机制可将损伤程度分为：热影响（0.52~3 J/cm2）、热烧蚀（3~50 J/cm2)和等离子烧蚀（>50 J/cm2），且不同情况下，损伤面积随激光能量密度分别对应不同的增长规律；最后，研究了低通量下多脉冲的累积效应，发现在0.52 J/cm2的激光能量密度下，连续辐照16个脉冲时表面形成热影响区，验证了多脉冲的累积效应可以降低单晶硅的激光损伤阈值。
皮秒脉冲激光 单晶硅 损伤阈值 累积效应 损伤特性 picosecond pulse laser monocrystalline silicon damage threshold cumulative effect damage characteristics
1 南京航空航天大学机电学院, 江苏 南京 210016
2 中国航空制造技术研究院, 北京 100024
飞秒激光加工具有脉冲作用时间短、峰值功率高、热影响区小的特点, 但在材料去除过程中仍然存在热累积效应。脉冲间的热累积效应对加工质量及热影响区均有直接影响。采用飞秒脉冲激光对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)进行扫描刻蚀试验, 运用三维传热模型对脉冲光斑作用区域温度场进行研究, 进而对飞秒激光的热累积效应进行探讨。结果表明：脉冲能量及重复频率对热累积的影响较为显著; 三维传热模型的计算结果与试验结果基本吻合, 对飞秒激光加工CFRP材料中的热累积效应控制具有指导意义。
飞秒激光 CFRP复材 材料去除 热累积效应 femtosecond laser CFRP composite ablation of material heat accumulation
空间频域算法作为白光干涉测量的重要算法之一，被广泛应用于微纳结构表面形貌测量领域。然而，传统空间频域算法中存在着由被测样品倾斜及表面形貌起伏变化引起的相位误差累积效应，并且该相位误差与干涉信号中零光程差位置的偏移程度密切相关。为此，对相位误差累积效应的原理进行分析，并在传统空间频域算法的基础上提出了一种基于包络信号辅助分析的方法以抑制相位误差累积。该方法首先通过包络信号分析对原始干涉信号中的零光程差位置的偏移进行对称性校正，再通过空间频域算法对校正后的对称信号进行相位分析，从而尽可能抑制零光程差位置偏移对空间频域分析的影响。为了验证本文方法的有效性，分别从仿真和实验的角度对该方法进行讨论。
显微 白光干涉 形貌测量 包络信号 空间频域算法 相位误差累积效应 激光与光电子学进展
2021, 58(7): 0718001
1 湖北省现代制造质量工程重点实验室, 武汉 430068
2 湖北工业大学 机械工程学院, 武汉 430068
采用波长800 nm的飞秒激光对硬质合金YG6表面进行多脉冲加工, 利用光学显微镜测量微凹坑损伤形貌及损伤直径, 研究了飞秒激光在不同能量密度和脉冲数下硬质合金YG6的损伤阈值和损伤直径的变化规律及其损伤机制.试验结果表明: 硬质合金YG6的多脉冲损伤阈值随着脉冲数增加而降低, 呈现明显的累积效应.试验得到了多脉冲飞秒激光加工YG6的损伤阈值、损伤直径与脉冲数及中心能量密度的定量关系, YG6多脉冲损伤阈值主要与脉冲数相关, 由单脉冲损伤阈值和累积系数共同决定, 试验得到YG6单脉冲损伤阈值为1.14±0.06 J/cm2, 累积系数为0.84±0.02.损伤直径主要与光束中心能量密度和脉冲数相关, 由光束束腰半径, 单脉冲损伤阈值和累积系数共同决定.试验采用多组平均功率和脉冲数对YG6进行烧蚀, 验证了单脉冲损伤阈值和累积系数的可靠性.
特种加工 飞秒激光 累积效应 损伤阈值 硬质合金YG6 微织构 Special manufacturing Femtosecond laser Incubation effect Ablation threshold Carbide YG6 Micro-texture
1 山东师范大学物理与电子科学学院光场调控及应用中心, 山东省光学与光子器件技术重点实验室, 山东 济南 250014
2 萨拉曼卡大学应用物理系激光微加工组, 西班牙 萨拉曼卡 37008
采用飞秒激光对氟化钙晶体表面进行加工。通过调控激光参数,采用静止聚焦和动态扫描两种方式在晶体表面加工出一系列微结构(烧蚀孔和烧蚀线)。分别对两种加工方式烧蚀后的氟化钙晶体表面微结构进行系统研究,包括参数依赖关系、材料表面烧蚀阈值等。计算结果表明:在静止聚焦情况下,累积因子为0.0033;在动态扫描情况下,当扫描方向与激光偏振方向垂直或平行时,累积因子分别为0.0043和0.0052。飞秒激光加工过程中的脉冲累积效应能够对晶体的烧蚀产生重要影响。
物理光学 飞秒激光烧蚀 微结构 累积效应 氟化钙晶体
国防科技大学 电子对抗学院 脉冲功率激光技术国家重点实验室, 合肥 230037
利用分子动力学模型模拟出单个脉冲作用后的热传导过程, 并得到了在下个脉冲辐照前硅材料表面的温度变化情况, 深入探究了非辐射复合及表面浮雕结构对硅表面温度的影响, 并根据分子动力学方程数值模拟了多脉冲飞秒激光烧蚀硅材料的超快热响应, 分析了电子与晶格的瞬态热平衡和硅表面最大温度随俄歇复合的变化。针对硅材料加工领域中高频多脉冲持续扫描硅表面的情况, 建立了宏观加热机制, 以减轻加工过程中的热累积效应。当采用较高重频脉冲时, 宏观热模型计算结果表明多脉冲扫描硅表面时, 温度的热积累不仅与光源本身入射通量和重频有关, 也与扫描速度有关。实验中运用通量为1～2 J/cm2、重频为10 Hz～1 kHz的飞秒激光光源烧蚀硅靶, 发现低频脉冲下表面熔融、氧化等现象不利于产生光滑孔状形貌。
飞秒激光 分子动力学 热累积效应 数值模拟 宏观热模型 光滑孔状形貌 硅材料加工 femtosecond laser molecular dynamics thermal incubation effect numerical simulation macrothermal model smooth cavernous appearance silicon processing
1 长春理工大学光电信息学院, 长春 130012
2 长春理工大学 光电工程学院, 长春 130022
为了研究薄膜激光损伤机理及影响因素, 基于平顶光束辐照测量的原理, 采用1064nm的Nd∶YAG激光器, 对电子束热蒸发方式镀制的HfO2薄膜在重复频率激光作用下损伤的累积效应进行了理论分析和实验验证。运用损伤阈值的测量原理, 分析了1-on-1和S-on-1两种测量方式的特点, 并分别开展了测量实验。采用二分法查找辐照激光能量, 每个能量密度辐照20个测试点, 应用零几率损伤阈值和最小二乘法拟合确定测量结果。结果表明, 对同种薄膜, 1-on-1测量方式测得的损伤阈值为15.75J/cm2, S-on-1测量方式测得的损伤阈值为11.90J/cm2;从损伤阈值与损伤形貌两方面的对比表明, S-on-1测量方式体现了典型的累积效应。此结果对深入研究薄膜激光损伤的机理和影响因素具有重要意义。
薄膜 损伤阈值 测量方式 累积效应 二分查找 最小二乘法 thin films damage threshold measurement mode cumulative effect binary search least square method
