紫外激光拋光藍(lán)寶石晶體過程研究.pdf

1、藍(lán)寶石的是α—Al2O3單晶體，其透光性、熱傳導(dǎo)性、絕緣性及力學(xué)機(jī)械性都較好；被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、國防、航空航天等領(lǐng)域。激光拋光工藝具有傳統(tǒng)拋光無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。
　　 本文對(duì)短波長(zhǎng)紫外激光拋光藍(lán)寶石的機(jī)理進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，作者在總結(jié)激光微細(xì)加工及其機(jī)理的基礎(chǔ)上，理論上分析了激光刻蝕藍(lán)寶石中存在的熱作用和光化學(xué)作用；實(shí)驗(yàn)研究了355nm紫外激光刻蝕藍(lán)寶石，以及實(shí)驗(yàn)研究激光能量密度、重復(fù)頻率、掃描速度、掃描

2、方式、激光入射角等不同工藝參數(shù)下，紫外激光拋光藍(lán)寶石的機(jī)理及其對(duì)表面粗糙度的影響，并用正交實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)各工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
　　 1．理論分析得出355nm紫外激光刻蝕藍(lán)寶石的破壞閾值16．23J/cm2，基于SSB模型，分析紫外激光刻蝕藍(lán)寶石過程中同時(shí)存在光化學(xué)作用及熱作用；結(jié)合高斯光斑特性，推導(dǎo)出激光光化學(xué)作用和熱作用刻蝕深度模型。
　　 2．通過紫外激光刻蝕藍(lán)寶石實(shí)驗(yàn)研究得出：355nm紫外激光刻蝕藍(lán)寶石的破壞閾值

3、為14．8J/cm2，與理論推導(dǎo)值接近?？涛g實(shí)驗(yàn)分析證明紫外激光刻蝕藍(lán)寶石中光化學(xué)作用與熱作用同時(shí)存在，并以熱作用為主。研究了激光能量密度對(duì)藍(lán)寶石刻蝕機(jī)理的影響：在激光能量密度為18．7—40．3J/cm2時(shí)，刻蝕中光化學(xué)作用的比率較高，在激光能量密度為25．9—35．5J/cm2時(shí)，光化學(xué)作用刻蝕的比率最高。拉曼光譜分析表明，激光能量密度較小時(shí)，激光的熱作用對(duì)藍(lán)寶石表面的組織結(jié)構(gòu)破壞較小，激光光化學(xué)作用使藍(lán)寶石刻蝕表面結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)微變化

4、，對(duì)藍(lán)寶石材料基體的損傷??；激光能量密度高時(shí)，激光強(qiáng)烈的熱作用破壞藍(lán)寶石表面組織結(jié)構(gòu)，生成非晶態(tài)的熱損傷層。激光能量密度的增大或刻蝕脈沖數(shù)的增加，刻蝕凹坑的深度和直徑增大，凹坑剖面形狀由“V”型逐漸向“U”型轉(zhuǎn)變，刻蝕凹坑的深度大于理論計(jì)算的深度。
　　 3．通過單因素拋光實(shí)驗(yàn)研究得出：隨著激光能量密度、重復(fù)頻率、掃描速度、激光入射角的增大，拋光表面粗糙度Ra減小。在激光能量密度為30．2—35J/cm2時(shí)，光化學(xué)作用拋光比率最

5、大，表面粗糙度Ra最低；在重復(fù)頻率為25—30kHz時(shí)，表面粗糙度Ra達(dá)到最低；在掃描速度為80—120mm/s時(shí)，表面粗糙度Ra最低；在20°—40°時(shí)，表面粗糙度Ra最小。掃描方式越復(fù)雜，表面粗糙度Ra越低，交叉兩次掃描的角度為60°時(shí)，表面粗糙度Ra最低。多因素正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究得出：拋光掃描速度對(duì)拋光表面粗糙度Ra的影響最為顯著，獲得355nm紫外激光拋光藍(lán)寶石最低表面粗糙度的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：激光能量密度30．2J/cm2，重