綠光激光拋光藍(lán)寶石晶體的熱作用機(jī)制研究.pdf

1、藍(lán)寶石是一種集優(yōu)異的光學(xué)性能、物理性能、機(jī)械性能和化學(xué)性能于一體的多功能氧化物(α-Al2O3),常用于工業(yè)、國(guó)防等領(lǐng)域。而傳統(tǒng)加工方法難以解決表面劃痕、碎裂、加工效率低、返工率高等問(wèn)題。激光拋光藍(lán)寶石具有傳統(tǒng)加工方法無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn),有很大的發(fā)展空間。
　　 本文采用波長(zhǎng)為532nm綠光激光器進(jìn)行拋光藍(lán)寶石的試驗(yàn)研究,作者在總結(jié)激光光熱作用、激光吸收率和激光拋光機(jī)理的基礎(chǔ)上,理論和實(shí)驗(yàn)分析了激光偏振特性和入射角對(duì)吸收率的影響規(guī)律

2、；激光拋光藍(lán)寶石熔融、汽化、熱裂紋等熱作用機(jī)理產(chǎn)生的條件,并研究激光能量密度、激光重復(fù)頻率、掃描速度、入射角、和掃描方式等工藝參數(shù)下的綠光激光拋光藍(lán)寶石機(jī)理及其各工藝參數(shù)對(duì)激光拋光效果影響規(guī)律。
　　 藍(lán)寶石吸收率的測(cè)量:通過(guò)調(diào)偏光路獲得垂直或平行于入射面的線偏振光,改變激光入射角,測(cè)量入射、反射和透射激光功率,經(jīng)過(guò)計(jì)算處理獲得吸收率的變化規(guī)律。
　　 1.理論計(jì)算了藍(lán)寶石表面對(duì)不同入射角下垂直和平行入射面線偏振532n

3、m激光的相應(yīng)反射率,與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值比較,發(fā)現(xiàn)二者變化趨勢(shì)一致,吻合較好,證明了該測(cè)量方法的可行性。
　　 2.吸收率在任何偏振態(tài)激光下均隨著入射角θ的增大而增大,當(dāng)θ值從10°增大到70°時(shí),Aws由13.1％增大到38.0％,Awp由18.9％增大到53.8％。在入射角小于藍(lán)寶石布儒斯特角時(shí),體吸收是引起吸收率增大的主要因素；當(dāng)入射角大于藍(lán)寶石布儒斯特角時(shí),吸收率隨入射角變化幅度則主要受激光的偏振性影響。
　　 藍(lán)寶石的

4、激光拋光:首先采用不同能量密度的激光對(duì)藍(lán)寶石表面進(jìn)行單線掃描實(shí)驗(yàn),從而確定綠光激光拋光藍(lán)寶石的損壞閾值約為12.867J/cm2左右,從單線掃描實(shí)驗(yàn)選擇激光拋光所使用的激光能量密度、激光束掃描速度、激光重復(fù)頻率等工藝參數(shù)。通過(guò)掃描電鏡(SEM)觀測(cè)藍(lán)寶石表面形貌,分析綠光激光拋光藍(lán)寶石的去除機(jī)理。并建立不同工藝參數(shù)對(duì)綠光激光拋光藍(lán)寶石去除方式的影響規(guī)律。通過(guò)激光共聚焦顯微鏡和馬爾輪廓儀測(cè)量拋光前后的表面粗糙度,并建立不同工藝參數(shù)條件下,

5、激光拋光藍(lán)寶石的表面粗糙度Ra的變化規(guī)律。
　　 1.理論推導(dǎo)得出:532nm綠光激光拋光藍(lán)寶石的破壞閾值為12.684J/cm2,并證明了綠光激光與藍(lán)寶石相互作用主要是光熱作用。
　　 2.通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究機(jī)理得出:綠光激光拋光藍(lán)寶石過(guò)程存在熔融、汽化、熱裂紋等熱作用去除方式,并得到了藍(lán)寶石的破壞閾值為12.867 J/cm2,接近于理論推導(dǎo)值,且此時(shí)以熔化的熱作用形式為主,當(dāng)激光能量密度為12.684J/cm2時(shí),以熔化

6、的熱作用形式為主；激光能量密度為22.528 J/cm2時(shí),汽化去除；激光能量密度為26.056 J/cm2以上時(shí),以蒸發(fā)、熱裂的熱作用形式為主。激光重復(fù)頻率為10kHz時(shí),激光拋光藍(lán)寶石以蒸發(fā)、熱裂等熱作用去除形式為主；激光重復(fù)頻率為30kHz時(shí),激光拋光藍(lán)寶石熔融、熱破碎去除形式共同起作用；激光重復(fù)頻率為50kHz時(shí),吸收的綠光激光能量主要轉(zhuǎn)化為材料表面的熱能,對(duì)藍(lán)寶石的作用效果不顯著。掃描速度為10mm/s時(shí),單位光斑內(nèi)拋光次數(shù)多

7、,相鄰脈沖之間相互影響作用增強(qiáng),拋光表面嚴(yán)重?zé)g；當(dāng)掃描速度為170、210mm/s時(shí),單位光斑內(nèi)拋光次數(shù)減少,相鄰脈沖之間相互影響作用減低,接近于單脈沖拋光,主要以熔融汽化為主要去除方式。多次掃描主要以熱作用的去除方式為主。
　　 3.通過(guò)工藝規(guī)律研究得出:當(dāng)激光能量密度達(dá)到藍(lán)寶石的破壞閾值時(shí),隨著激光能量密度增大,拋光表面粗糙度先減小,當(dāng)激光能量密度為20.694J/cm2時(shí),拋光表面粗糙度最低,此后隨著激光能量密度的增加,

8、表面粗糙度逐漸增加。隨著激光重復(fù)頻率的增加,激光拋光表面粗糙度逐漸下降,當(dāng)激光重復(fù)頻率為30kHz時(shí)此時(shí)拋光表面的粗糙度最低。當(dāng)激光重復(fù)頻率為45kHz時(shí),表面材料幾乎沒(méi)有被去除,表面粗糙度恢復(fù)到原始表面粗糙度值。當(dāng)掃描速度為50mm/s時(shí),拋光表面粗糙度很大,但隨著激光掃描速度的增加,表面粗糙度逐漸下降,當(dāng)掃描速度170mm/s時(shí),拋光后的表面粗糙度最低。此時(shí),當(dāng)繼續(xù)增加掃描速度時(shí),拋光表面粗糙度又逐漸增加到原始表面粗糙度值。隨著入射