飞秒激光技术在材料加工中的应用

飞秒激光湿法刻蚀微纳制造

陈烽;杨青;边浩;杜广庆;柳克银;孟祥卫;邓泽方;山超

【摘 要】飞秒激光微加工作为一种新型微纳制造技术,在复杂三维构型制作方面具有其独特的优势,但激光加工效率问题严重制约了飞秒激光微加工技术走向实际工程应用,提出一种飞秒激光湿法刻蚀微纳制造方法,以提高飞秒激光微加工的效率为突破口,通过调控激光与物质相互作用获得材料的目标靶向改性,进而结合化学湿法刻蚀实现硬质材料上的高效和高精度三维微加工,采用这一方法制作出的微透镜尺寸为80 μm,球冠高6.7 μm,表面粗糙度小于10 nm.利用这种方法,实现了不同结构与特性的高质量微透镜阵列的超精密制备,在石英内部也实现了螺旋微通道的复杂三维结构,螺旋通道直径为20μm,长径比超过100.

【期刊名称】《应用光学》

【年(卷),期】2014(035)001

【总页数】5页(P150-154)

【关键词】飞秒激光;微纳制造;湿法刻蚀;微透镜;微通道

【作 者】陈烽;杨青;边浩;杜广庆;柳克银;孟祥卫;邓泽方;山超

【作者单位】西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049 【正文语种】中 文

【中图分类】TN249

引言

飞秒激光是20世纪末迅速发展起来的一种超快激光光源，与长脉冲激光以及连续激光不同，它具有超短的脉冲持续时间和超高的峰值功率等特性，当其与物质相互作用时，能够以极快的速度将能量注入到很小的作用区域，瞬间内的高能量密度沉积可使电子的吸收和运动方式瞬间发生剧烈变化。因此，避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等的影响，从而在根本上改变了激光与物质相互作用的瞬态微观机制，使飞秒激光与物质相互作用的过程成为具有超高精度、超高空间分辨率的非热熔“冷”处理过程，这有利于更细微结构的高精度加工。由于飞秒激光在三维高精度微结构制备中所表现出的优越特性，自20世纪90年代以后，飞秒激光微纳制造已成为微加工领域的热点研究方向之一。

科技创新　２０１３年第１ｏ期Ｉ科技创新与应用　激光技术在金属材料加工工艺中的应用探析　田延龙　（哈尔滨东安发动机（集团）有限公司，黑龙江哈尔滨１５００６６）　摘要：激光技术的研究和推广应用的水平是标志一个国家现代化程度的高级技术之一。激光加工技术是利用激光束与物质相　互作用的特性对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等的一门技术。如今，激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽　车、电器、航空、电子、冶金、机械制造等重要部门。就激光技术的优势、常见的激光技术以及在金属材料加工工艺中的应用进行了　研究，对提高产品质量、劳动生产率和减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。　关键词：激光技术；工艺；加工　激光加工是一种新兴的先进制造技术，具有自己的特色与规律，　经过多年的积淀形成了激光加工理论和各种激光加工工艺参数。随　着世界科技与经济发展的需要，激光技术有了迅速发展。激光与普　通光相比具有单色性、相干性、方向性和高光强。同样激光加工设备　也涉及到众多学科因而决定了它的高科技性和高收益率。纵观国际　和国内激光应用场情况经过多年来的研究开发和完善，当代的激光　器和激光加工技术与设备已相当成熟形成系列激光加工工艺。　１激光技术优势分析　１．１加工速度快，效率高　激光切割是当前各国应用最多的激光加工技术，在国外许多领　域，例如，汽车制造业和机床制造业都采用激光切割进行钣金零部　件的加工。在航天工业中，铝合金用激光焊接的成功应用是飞机制　造业的一次技术大革命。在汽车工业中，激光加工技术优化了汽车　结构，提高了汽车性能，降低了耗油量。激光精加工和微加工不但促　进了工业的发展，也为制造行业提供了有利条件。随着大功率激光　器光束质量的不断提高，激光切割的加工对象范围之广，几乎包括　了所有的金属和非金属材料。例如，可以利用激光对高硬度、高脆　性、高熔点的材料，进行形状复杂的三维立体零件切割，这也正是激　光切割的优势所在。由于激光加工技术的高效率、无污染、高精度、　热影响区小，因此在工业中得到广泛应用。另外，激光切割的优点还　包括设置时间短，对不同工件和外形具有很好的适应性。　１．２精准率高，无污染　激光焊接激光焊接是将光斑非常细小高强度的激光照射到工　件表面，通过激光与物质的相互作用，使作用区域内的母材局部快　速熔化、汽化，实现焊接。与传统的加工热源相比，激光具有高亮度　性、高方向性、高单色性和高相干性等特点，因此，激光加工是一种　新型的高能束流加工技术，对提高产品质量和劳动生产率，实现生　产的自动化和无污染，以及减少材料消耗等起到愈来愈重要的作　用。例如，３Ｄ激光切割技术是加工高强钢最经济的技术。激光切割　适合高强钢加工毛边过程。对于这种加工，３Ｄ激光切割尤其适合这　种已经成型的金属薄板。如果钢的强度达到１５００ＭＰａ，就只能采用　激光切割技术才能实现，没有其他更经济的方法可以选择。另外，对　于激光切割而言，低热输入是激光切割中一个非常重要的特点，因　为一些合金的高强特性会由于热效应而导致性能降低。激光能焊接　以前由于不可视原因而无法焊接的部位（例如，车顶侧板和后挡板　的结合）。激光焊接同样是一种变形很小的高质量焊接，能够达到很　高的精度。另外，激光焊接相比电阻点焊能够减小焊缝宽度，这再一　次降低了重量和燃油消耗。　２激光技术在金属材料加工工艺中的应用　２．１激光切割　激光是用聚焦镜将激光束聚焦在材料表面，使材料熔化，同时　用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料　沿一定轨迹作相对运动从而形成一定形状的切缝。激光切割是当　前各国应用最多的激光加工技术，在国外许多领域，例如；汽车制造　业和机床制造业都采用激光切割进行钣金零部件的加工。激光可切　割的材料很多，包括有机玻璃、木板、塑料等非金属板材，以及不锈　钢、碳钢、合金钢、铝板等多种金属材料。激光切割无需刀具和模具　在计算机控制下，可直接实现二维、三维上任意形状的板类和壳体　类零件的柔性加工。同时，激光切割也是应用激光聚焦后产生的高　功率密度能量来实现的。在计算机的控制下，通过脉冲使激光器放　电，从而输出受控的重复高频率的脉冲激光，形成一定频率，一定脉　宽的光束，该脉冲激光束经过光路传导及反射并通过聚焦透镜组聚　焦在加工物体的表面上，形成一个个细微的、高能量密度光斑，焦斑　位于待加工面附近，以瞬间高温熔化或气化被加工材料。与传统的　板材加工方法相比，激光切割其具有高的切割质量、高的切割速度、　高的柔性、广泛的材料适应性等优点。精度高，其定位精度０．０５ｍｍ，　重复定位精度０．０２ｒａｍ；速度快：切割速度可达１０ｍ／ｍｉｎ，最大定位速　度可达７０ｍ／ｒａｉｎ，比线切割的速度快很多。不受被切材料的硬度影　响：激光可以对钢板、不锈钢、铝合金板、硬质合金等进行加工，不管　什么样的硬度，都可以进行无变形切割。　２．２激光焊接　激光切割是利用高功率密度的激光束扫描过材料表面，在极短　时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或气化，再用　高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，达到切割材料的目的。　激光焊接的特点及应用激光焊接是一种高速度、非接触、变形极小　的焊接方式，非常适合大量而连续的在线加工。适合于精密件、箱体　件和有密封要求焊接件的加工。激光束经聚集后可获得很小的光　斑，且能精密定位可应用于大批量自动化生产，不仅生产效率大大　提高且热影响区小焊点无污染大大提高了焊接的质量。随着激光设　备和加工技术的发展，激光焊接能力也在不断增强。焊接速度高、焊　缝小、焊接熔深大、热影响区窄，焊接变形小、在操作过程中无污染　是它的主要优点。采用激光扫描焊接工艺可以实现任何焊接曲线，　使车身结构具有更大的灵活性，并且可以根据特殊的焊接强度进行　定制。主要有激光与电弧、等离子弧、高频感应热源复合焊接以及双　激光束焊接等。另外，激光扫描焊接提供了更高的生产率、适应性和　经济效果，它特别适用于一个构件要求多道短的搭接焊，这种方式　也被称为远程焊接。这种高动态焊接技术通过扫描振镜引导激光束　到工件进行焊接，移动工件或者焊接头的时间变得很短。因此客户　能选择一系列的焊接工艺而几乎没有浪费时间，使热输入和变形最　小，而加工时间能被缩短７０％以上。　３结束语　总之，激光技术这项蓬勃发展的新型技术，不仅被大规模地应　用在汽车、材料加工、机械制造、电气仪表、航空航天、等诸多工业领　域，并且融入到了人民大众的日常生活，更是为工业时代带来了无　限的商机。随着激光加工技术、设备、工艺研究的不断深入，将具有　更广阔的应用前景。　能的措施　大型外浮顶罐在运行过程中，出现过不少问题和事故，为了降　低大型浮顶油罐储油过程中的事故率，国外在现有的浮顶油罐上加　盖，已成为各石油公司提高油品储存安全性的一个好措施，并已成　为一种趋势。　外浮顶油罐加了顶盖后，固定顶能有效防止风沙、雨雪和灰尘　对油品的污染，消除雪载对浮顶正常操作的影响。油品在拱顶和内　浮顶的双重保护下，大大降低了蒸发损失和环境污染，此问题在油　价上涨和注重环保的形势下引起人们的极大关注。同时，可取消中　央排水管、转动浮梯等许多部件，既简化结构，又节约投资，还提高　安全性。　７－３由于网壳顶结构的理论分析与设计计算，以及构件的预制、　罐顶安装等，专业性都很强，需要较高的技术和一定的装备条件，需　要由掌握这项专门技术及具有施工能力的单位来承担设计与施工　任务。　参考文献　［１］斯新中．国内储罐罐顶的形式和发展趋势［Ｊ】｜石油化工设备技术，　１９９８．５．　【２］孔昭瑞罔定顶油罐的罐顶结构　油气储运，１９９７．１０．　［３］赖盛等．大型拱顶储罐和内浮顶罐顶盖形式及用材探讨［Ｊ］．石油化　工设备技术，２００３．２．　一

激光在工业加工领域中的应用

激光作为一种重要的光学技术，在工业加工领域中得到了广泛的应用。激光具有高能量、高光束质量、高单色性等优点，可以对各种材料进行切割、焊接、打孔等各种精密加工工艺，因此被誉为工业制造的“利剑”。

一、激光技术在工业加工中的应用

1. 激光切割技术

激光切割技术是利用激光在被切割材料表面产生高温和压力，使材料熔化、汽化并产生裂纹，从而实现对材料的分离。这种加工方法适用于多种材料，如金属、非金属、塑料、木材等。激光切割工艺具有精度高、速度快、效率高、加工深度可控等优点，被广泛应用于汽车制造、航空航天、机床制造等工业领域。

2. 激光焊接技术

激光焊接技术是利用激光对被焊接材料进行高能量聚焦，将材料表面熔化并产生反应，从而实现材料的粘结。激光焊接技术适用于各种金属、合金、非金属等材料的焊接。激光焊接工艺具有高效率、低热影响区、焊接质量高等优点，被广泛应用于汽车制造、机器人制造、电子器件制造等领域。

3. 激光打孔技术 激光打孔技术是利用激光在材料表面产生高热和气体压力，使材料表面产生熔融和汽化，从而实现对材料进行小孔的加工。激光打孔工艺具有精度高、加工速度快、钻孔质量好等优点，被广泛应用于汽车零部件制造、航空航天制造、电子设备制造等工业领域。

4. 激光雕刻技术

激光雕刻技术是利用激光在特定材料表面进行局部加热，使其表面产生不同的化学和物理变化，从而形成图案、字母和图像等效果。激光雕刻工艺具有精度高、加工速度快、制作效果好等优点，被广泛应用于工艺品、礼品、家居装饰等领域。

二、激光技术在未来的应用前景

随着先进制造技术的不断发展，激光技术在工业加工领域中的应用前景越来越广阔。未来，激光技术将成为更多行业的突破口，其应用领域也将更加广泛。以下是激光技术在未来的应用前景：

1. 3D打印技术

近年来，3D打印技术在制造业中得到了广泛应用，而激光技术作为其核心技术之一，必将继续发挥重要作用。基于激光精确加工能力的3D打印机，可以根据客户需求快速生产出所需物品，满足复杂零部件的加工需求。

飞秒激光空间整形贝塞尔光束加工具有抗反射性能的三维表面探究

摘要：随着微纳加工技术的进步，对于高精度、高效率、高可靠性微纳加工的需求不息增加。飞秒激光加工技术因具有高精度、高质量、高效率等优点，逐渐成为一种热门的微纳加工技术。本文基于飞秒激光空间整形技术，对贝塞尔光束的三维表面进行探究，探究其对于抗反射性能的影响。通过分析试验结果发现：飞秒激光空间整形贝塞尔光束加工的三维表面具有较强的抗反射性能，其反射特性明显优于传统的平面加工，具有更好的应用前景。

关键词：飞秒激光；空间整形；贝塞尔光束；抗反射性能；微纳加工

1.引言

微纳加工技术已经成为当今探究的热点领域，其在微电子、生物医学、纳米光学等方面的应用越来越广泛。飞秒激光加工技术因具有高精度、高质量、高效率等优点，成为一种分外具有进步潜力的微纳加工技术。在飞秒激光加工中，飞秒激光空间整形技术可以实现对激光束的空间形态进行调整，从而实现对加工形态的调整，具有更加灵活、高效的优点。

2.试验设计 本试验使用飞秒激光器作为加工光源，针对传统平面加工和飞秒激光空间整形贝塞尔光束加工进行对比探究。通过分析测试样品的反射特性，比较两种加工方式对于抗反射性能的影响。

3.试验结果

通过试验测试，我们得到了样品的反射特性曲线，对样品进行了比较。结果发现，飞秒激光空间整形贝塞尔光束加工的样品反射率遥低于传统平面加工的反射率。这表明飞秒激光空间整形技术具有较强的抗反射性能，可以更好的满足微纳加工需求。

4.结论

通过本试验探究，我们可以得出结论：飞秒激光空间整形贝塞尔光束加工具有较强的抗反射性能，其反射特性明显优于传统的平面加工。随着微纳加工技术的进步，飞秒激光空间整形技术具有更好的应用前景。

5.谈论与分析

传统平面加工方式是在材料表面进行匀称的加工，而飞秒激光空间整形贝塞尔光束加工方式则可以实现对加工点的精准控制，更好地适应复杂几何形态的加工需求。此外，贝塞尔光束具有优异的聚焦性能和较强的抗散射能力，可以缩减样品表面的缺陷问题，从而改善其反射特性。