光束整形及其在飞秒激光微加工领域的应用研究
飞秒激光凭借脉冲宽度短、峰值功率高、热效应小、加工分辨率高等区别于长脉冲激光的优势,在微加工领域展现出了强大的生命力,成为近年来人们关注和研究的焦点.然而,在飞秒激光微加工过程中,由于光斑能量高斯分布,使得激光对材料作用的能量密度不一致,直接导致光斑外边缘作用区域的热效应现象明显,极大影响了该技术在一些对热效应要求比较苛刻领域的应用前景.光束整形技术可以改变激光能量的空间分布,从而能够实现光斑能量分布的均匀化,不仅可以改善激光微加工过程中的热效应,而且对加工表面质量的提升也有明显的效果.目前,常见的光束整形方法有衍射光学元件、液晶空间光调制器、非球面透镜组、微透镜阵列等.在诸多的手段中,非球面透镜组具有结构简单、抗强激光损伤能力强、成本低廉、易于实现等优点,非常适合应用于飞秒激光微加工系统.然而,以前的大部分工作是对输出光斑较大的非球面镜整形系统的设计和优化,对于适合微加工系统的聚焦型非球面整形系统报道很少.本文研究了具有聚焦功能的非球面整形系统并利用该系统开展了相关实验,具体内容如下:1.总结了常见的高斯光束、平顶光束的理论模型,讨论了平顶光束在近场和远场条件下的传输特性,分析了函数因子对光强分布的影响规律,模拟了输出效率与光束均匀性的关系.2.研究了非球面整形系统的设计方法,分析并总结了参数对开普勒和伽利略型光学结构中非球面镜面型的影响规律,通过最小二乘法拟合得到了符合技术要求的面型参数.分析了光学系统的原理误差、制造误差、使用误差,并给出了容差范围.根据设计结果搭建实验平台,对比了非聚焦型以及聚焦型非球面整形系统的整形结果,获得了直径为60μm的平顶光斑.3.根据实验需要,搭建了飞秒激光微加工实验系统,利用该系统对金属钛、钛合金、蓝宝石材料进行飞秒激光微加工实验验证.对比了高斯光束和平顶光束条件下的加工效果,分析了光斑能量分布对加工结果的影响.实验结果表明,飞秒激光微加工过程中产生的热效应是影响加工质量的关键因素.与高斯光束相比平顶光束能够有效控制加工过程的热效应范围,改善由于热累积导致的氧化现象.同时还可以发现,采用平顶激光加工的材料表面平整度较高、不易产生重铸层和微裂纹,在同等条件下其加工结果优于高斯光束的加工结果.
- 作者：
- 李睿
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
- 专业名称：
- 光学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 赵卫；杨小君
- 中图分类号：
- TN249
- 关键词：
- 光束整形；飞秒激光；平顶光束；激光微加工
- Laser beam shaping； Femtosecond laser； Flat top beam； Laser micro-machining