蓝宝石表面微结构纳秒脉冲激光加工技术研究

作     者：汪奇文 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐九华

授予年度：2021年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 07[理学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 080501[工学-材料物理与化学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：蓝宝石 激光加工 数值仿真 烧蚀机理 微结构 

摘      要：蓝宝石具有硬度大、热稳定性高、化学稳定性好等优势,其微结构被广泛运用在卫星抗反射衬底、蓝宝石研磨盘和珩磨刀具等领域。然而,蓝宝石超硬超脆的特性致使其微结构难以利用传统机械加工方法来实现。本文主要开展蓝宝石表面微结构的激光加工制备研究,围绕纳秒激光加工蓝宝石的烧蚀仿真、蓝宝石纳秒激光加工机理、纳秒激光加工蓝宝石表面微结构制备工艺三个方面进行试验和理论探究,主要研究内容包括:(1)蓝宝石激光加工数学模型的建立与仿真。纳秒激光加工工件时,主要依靠激光的热效应将材料蚀除,针对不同激光加工参数,通过研究激光参数与能量分布及表面轮廓的对应关系,建立脉冲激光烧蚀蓝宝石的表面轮廓数学模型并进行数值仿真,为蓝宝石微结构轮廓的预测以及蓝宝石激光加工机理提供理论支撑。(2)蓝宝石脉冲激光加工机理研究。短脉冲激光辐照过程中蓝宝石不可避免地存在热影响区,激光辐照区域的蓝宝石表面易产生微裂纹等热力损伤。通过对激光与蓝宝石热损伤程度的影响因素与作用机制的探索,可为蓝宝石精密低损伤表面微结构的损伤控制提供依据。(3)蓝宝石表面微结构激光加工工艺优化及制备。纳秒激光与蓝宝石相互作用机理的揭示和激光加工参数的优选是加工蓝宝石表面低损伤微结构的基础。本文在建立蓝宝石激光加工数学模型和揭示蓝宝石脉冲激光加工机理的基础上,针对不同加工图案(沟槽形、金字塔形、菱形等)提出不同加工策略,在蓝宝石表面加工出低损伤微结构。本文研究成果为激光加工硬脆材料提供理论基础,为蓝宝石微结构的制备奠定理论和试验依据,有助于实现蓝宝石表面不同形貌微结构的研磨片的制备,扩展蓝宝石材料的应用范围。