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基于混合全息图的光束形态及质量控制

基于混合全息图的光束形态及质量控制

作者：汪于涛湖北工业大学

学位级别：硕士

激光光束能量一般呈高斯分布,这种能量非均匀分布的特性会导致材料在局部范围内产生热累积,影响加工效果的一致性,极大的限制了激光技术的发展。光束整形技术可以改变光束的形态及能量分布状态,可以有效地降低热效应,提高加工质量。本... 详细信息

激光光束能量一般呈高斯分布,这种能量非均匀分布的特性会导致材料在局部范围内产生热累积,影响加工效果的一致性,极大的限制了激光技术的发展。光束整形技术可以改变光束的形态及能量分布状态,可以有效地降低热效应,提高加工质量。本文研究了一种基于混合全息图的光束形态及质量控制方法,主要研究内容如下:首先,总结了高斯光束和常见平顶光束的理论模型,分析了平顶光束在近场和远场条件下的传输特性。研究了在无光阑限制的近轴ABCD光学的传输中,传输距离对对平顶光束能量分布状态的影响。其次,根据液晶分子的电控双折射效应和相变效应解释了液晶空间光调制器的调制原理。在分析了二元光栅、闪耀光栅以及正弦光栅的衍射特性后,对比了该光栅元件与液晶光栅的衍射特性区别,并作了适当分析。根据上述分析设计出了混合全息图,同时对本文采用的基于混合全息图的光束整形原理进行说明。再次,根据实验需求,设计并搭建了实验系统。通过加载不同的混合全息图,在衍射近场获得任意形状的平顶光束,有效的降低了边缘衍射效应,并且在成像面0.5mm范围内重塑整形光束。重塑的整形光束在抛光不锈钢样品上的加工痕迹轮廓,与衍射近场的光束形状一致。当光栅周期为160μm时,影响光束质量的+1阶衍射光束可以完全去除,同时在CCD相机中观察到的光束局部能量比高达77.67%。通过对混合全息图的动态循环切换实现了25Hz不同形状的动态加工。最后,为了提高整形光束能量利用率,设计了二进制灰度级光栅掩模以实现对整形光束的形状和强度分布的精确控制。研究了不同光栅对整形光束质量的影响,实验结果表明,当闪耀光栅周期为120μm时,其对应的局部能量比达到最高91.86%,同时光束的均匀性RMSE达到最低值0.039。以二进制灰度级光栅掩模与周期为120μm的闪耀光栅结合的混合全息图进行实验,成功的获得了整形效率为48%的平顶光束。

关键词：光束整形空间光调制器混合全息图光栅

飞秒激光刻蚀硅橡胶超疏水表面老化特征的研究

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中国激光 2022年第10期49卷 265-274页

作者：陈列聂琦璐郭飞胡涛汪于涛刘顿湖北工业大学机械工程学院湖北武汉430068 湖北工业大学材料与化学工程学院湖北武汉430068 上海市激光技术研究所上海市激光束精细加工重点实验室上海200233

由于长期暴露在阳光、雨水、高低温等自然环境下,硅橡胶复合绝缘子的使用性能和工作寿命会下降,严重威胁了输电线路的安全稳定运行。因此,提高硅橡胶的耐老化性对于加强户外硅橡胶复合绝缘子的可靠性和延长使用寿命具有重要意义。飞秒... 详细信息

由于长期暴露在阳光、雨水、高低温等自然环境下,硅橡胶复合绝缘子的使用性能和工作寿命会下降,严重威胁了输电线路的安全稳定运行。因此,提高硅橡胶的耐老化性对于加强户外硅橡胶复合绝缘子的可靠性和延长使用寿命具有重要意义。飞秒脉冲激光能够在硅橡胶表面制备出稳定的超疏水状态,为了进一步研究该表面的耐老化性能,使用氙灯老化试验箱对样品进行700 h的加速老化实验。结果表明,超疏水表面的接触角从163°下降到150°左右,表明超疏水硅橡胶具有优异的耐老化性能。检测结果表明硅橡胶表面在老化过程中所产生的亲水性羟基是导致其表面疏水性下降的主要原因。进一步采用一种简单有效的热处理方法使其疏水性快速得到恢复。在200℃的加热环境中可以使老化后的样品表面接触角从150°恢复到163°左右,同时表面滚动角恢复到3°左右。该研究结果为增强硅橡胶在工作环境中的使用性能提供了理论指导,并在延长硅橡胶的使用寿命方面提供了一种新的手段。

关键词：激光技术飞秒脉冲激光硅橡胶超疏水表面老化特征热处理

射频激励扩散冷却板条CO_(2)激光器技术发展

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应用激光 2022年第1期42卷 108-116页

作者：罗琪卉汪于涛王丽朱小磊中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室上海201800 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049 上海市激光技术研究所上海市激光束精细加工重点实验室上海200233

扩散冷却、射频激励的板条结构CO_(2)激光器具有效率高、体积小和光束质量好的优势,在激光精密退火、工业加工等应用领域越来越被重视。高功率射频激励、扩散冷却板条CO_(2)激光器在千瓦级及以上的CO_(2)激光精密加工及微电子装备中占... 详细信息

扩散冷却、射频激励的板条结构CO_(2)激光器具有效率高、体积小和光束质量好的优势,在激光精密退火、工业加工等应用领域越来越被重视。高功率射频激励、扩散冷却板条CO_(2)激光器在千瓦级及以上的CO_(2)激光精密加工及微电子装备中占有重要地位,已成为高功率、高光束质量连续CO_(2)激光器的主流发展方向。就CO_(2)激光器技术发展,重点围绕射频驱动板条结构高功率CO_(2)激光器技术的国内外研究动态进行了调研,梳理了技术发展阶段及应用情况,并对技术发展趋势进行了展望。

关键词：板条CO_(2)激光器射频激励扩散冷却高功率

基于空间光调制器的QR二维码并行加工技术研究

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应用激光 2021年第4期41卷 853-859页

作者：陈波翟中生高添汪于涛刘顿湖北工业大学机械工程学院湖北武汉430068 上海市激光技术研究所上海200233

针对单光束激光加工QR二维码效率的不足,提出了基于空间光调制器的QR二维码并行加工方法。利用GS反馈算法生成了高均匀性的QR二维码多光束全息图,结合空间光调制器以及飞秒激光在不锈钢表面标刻出能被有效识别的QR二维码。研究了单脉冲... 详细信息

针对单光束激光加工QR二维码效率的不足,提出了基于空间光调制器的QR二维码并行加工方法。利用GS反馈算法生成了高均匀性的QR二维码多光束全息图,结合空间光调制器以及飞秒激光在不锈钢表面标刻出能被有效识别的QR二维码。研究了单脉冲能量、脉冲数量、离焦量以及光束均匀性对QR二维码加工质量的影响,通过试验得到了最优QR二维码并行加工工艺参数。

关键词： QR二维码多光束空间光调制器并行加工

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激光退火技术在半导体领域的应用

应用激光 2020年第6期40卷 1099-1109页

作者：李文兵汪于涛骆公序王丽上海市激光技术研究所上海市激光束精细加工重点实验室上海200233

激光退火技术,以较低的热预算,可以在瞬间达到较高的退火温度,工艺过程高度可控,制程可重复性好,已经广泛应用于半导体工业界。本文将简要介绍激光退火技术早期的机理研究,以及在硅基太阳能电池,平板显示,集成电路,和微纳米制造等领域... 详细信息

激光退火技术,以较低的热预算,可以在瞬间达到较高的退火温度,工艺过程高度可控,制程可重复性好,已经广泛应用于半导体工业界。本文将简要介绍激光退火技术早期的机理研究,以及在硅基太阳能电池,平板显示,集成电路,和微纳米制造等领域的应用。

关键词：激光退火硅太阳能平板显示集成电路微纳米制造

超短脉冲激光切割设备中mark点形状选择对振镜标定精度的影响研究

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应用激光 2021年第3期41卷 583-589页

作者：黄羲凌刘昆王丽汪于涛张磊骆公序上海市激光技术研究所上海市激光束精细加工重点实验室上海200233

采用振镜进行加工的激光切割设备,为了提高切割精度,首先需要对振镜进行标定,通行的标定方法是使用振镜在金属片或其他刚性材料上切割出一组具有固定图案(通常被称作mark点)的阵列,然后用相机逐一读取该阵列中每个图案的具体位置,据此... 详细信息

采用振镜进行加工的激光切割设备,为了提高切割精度,首先需要对振镜进行标定,通行的标定方法是使用振镜在金属片或其他刚性材料上切割出一组具有固定图案(通常被称作mark点)的阵列,然后用相机逐一读取该阵列中每个图案的具体位置,据此计算校正网格并实施校正。圆形和十字形是两种最常使用的mark点形状。对这两种mark点对振镜标定精度的影响进行了对比试验,结果表明,圆形mark点标定的精度更好。在平台重复定位标准差约为1μm的情况下,圆形mark点标定后的振镜平均误差为1.99μm,标准差为1.09μm;十字形mark点标定后的振镜平均误差为2.95μm,标准差为1.60μm。

关键词：振镜 mark点形状误差精度

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紫外皮秒激光刻蚀体硅工艺研究

应用激光 2019年第6期39卷 1002-1005页

作者：骆公序荆超汪于涛王丽沈佳俊上海市激光技术研究所上海200233 上海市激光束精细加工重点实验室上海200233

针对体硅的加工应用,开展皮秒紫外激光三维刻蚀单晶硅工艺研究。通过工艺实验,得出在激光脉冲能量6μJ,固定XY点间距4μm,在单晶硅上刻蚀600μm×600μm方槽,单次去除的深度在1μm,单次加工用时0.5 s,加工的侧壁在14°,可以获得较好的20... 详细信息

针对体硅的加工应用,开展皮秒紫外激光三维刻蚀单晶硅工艺研究。通过工艺实验,得出在激光脉冲能量6μJ,固定XY点间距4μm,在单晶硅上刻蚀600μm×600μm方槽,单次去除的深度在1μm,单次加工用时0.5 s,加工的侧壁在14°,可以获得较好的200μm深度的三维结构。皮秒紫外激光体硅加工在工艺流程上更为简洁,加工效率高,对环境污染小,设备成本小。

关键词：激光应用体硅工艺激光直接加工紫外皮秒激光

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金属表面激光清洗技术及其应用

应用激光 2018年第6期38卷 1028-1037页

作者：成健方世超刘顿郑重汪于涛湖北工业大学机械工程学院湖北武汉430068 上海市激光技术研究所上海200233 上海市激光束精细加工重点实验室上海200233 上海激光智能制造工程技术研究中心上海200233

金属表面清洗工艺是现代工业生产中涂装、连接、维护和修理的重要环节。目前传统清洗方法在高精度要求和环境保护限制下其应用受到很大的制约。激光清洗技术作为近年来迅速发展的一种高效、绿色清洗技术,与机械打磨清洗、高压水射流清... 详细信息

金属表面清洗工艺是现代工业生产中涂装、连接、维护和修理的重要环节。目前传统清洗方法在高精度要求和环境保护限制下其应用受到很大的制约。激光清洗技术作为近年来迅速发展的一种高效、绿色清洗技术,与机械打磨清洗、高压水射流清洗、化学清洗、喷砂清洗等传统清洗工艺相比,具有精准度高、低损伤、零排放和无污染的优点,极具应用前景。对激光清洗技术的原理、特点及分类进行了简述,重点介绍了金属表面激光清洗技术的研究及应用,最后对激光清洗技术的研究和发展进行了展望。

关键词：金属表面激光清洗清洗机理清洗工艺参数

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硬质合金皮秒激光加工工艺研究

应用激光 2021年第4期41卷 798-804页

作者：佘律波刘钊鹏汪于涛顾俊张瑄珺上海飞机制造有限公司上海200120 上海市激光技术研究所上海200233 上海激光智能制造工程技术研究中心上海200233 上海市激光束精细加工重点实验室上海200233

在WC粒径0.7~0.8μm、质量分数91.5%~92.0%的Co-WC二元硬质合金上进行了恒定单脉冲能量下,不同填充间距和加工次数的皮秒脉冲激光加工工艺试验研究,发现在小于光斑宽度的填充间隔尺寸范围内,填充间隔增大,加工面呈现表面粗糙度降低的光... 详细信息

在WC粒径0.7~0.8μm、质量分数91.5%~92.0%的Co-WC二元硬质合金上进行了恒定单脉冲能量下,不同填充间距和加工次数的皮秒脉冲激光加工工艺试验研究,发现在小于光斑宽度的填充间隔尺寸范围内,填充间隔增大,加工面呈现表面粗糙度降低的光整加工效果;填充间距减小,激光对材料的蚀除效果增加;加工次数越多,材料去除深度越大;加工次数持续增加,材料表面钝化失活,激光的蚀除作用减弱;通过对激光加工区域的残余应力检测,发现皮秒激光加工对硬质合金表面残余应力影响不明显;对硬质合金钻头副切削刃口进行脉冲激光刃口修磨,去除了砂轮修磨残留的微观缺口,获得了更好的刃口质量和前刀面表面质量。

关键词：硬质合金皮秒激光表面粗糙度残余应力