基于飞秒激光的金属微细加工方法与理论研究

摘要

飞秒激光技术目前已经成为高新技术的主力之一，材料加工也正向着微纳尺寸发展，高集成技术要求加工精度在微米甚至纳米级别，而飞秒激光在这一方面表现出的强大优势倍受青睐，因此得到了广泛关注。相关学者致力于研究飞秒激光与材料的相互作用，认识作用过程中的烧蚀机理，同时也对加工实验开展了广泛研究。本文在讨论飞秒激光加工金属的理论基础上开展了以下工作：
　　（1）双温模型是飞秒激光加工金属的典型理论模型，采用有限差分法对双温方程进行求解，在考虑电子之间热传导的前提下，首先对单脉冲烧蚀镍钛合金情况进行了数值模拟，得到了激光能量密度、脉冲宽度、延迟时间对电子和晶格温度的影响规律。
　　（2）对双温方程中单脉冲的激光光源项进行改进，得到了三脉冲的光源项，利用改进的双温方程，模拟分析了三脉冲条件下电子和晶格温度随时间和传递深度的三维演化规律以及在不同脉冲个数、脉冲宽度和激光能量密度下的影响规律。通过模拟分析发现，调节加工工艺参数可以利用飞秒激光实现对金属材料的微纳加工。
　　（3）介绍了飞秒激光加工系统，总结了不同加工参数对打孔和划线的影响规律。最后在理论分析的基础上，利用搭建的飞秒激光加工系统对不同的金属材料进行了初步的实验研究，得到了较高的加工质量。
　　通过对飞秒激光微细加工金属的理论和实验研究，更加清晰的认识了烧蚀过程的内部机理，为进一步研究作用过程中伴随的其他复杂现象奠定了基础。通过实验研究，在证明了双温方程模拟结果准确性的同时也说明了飞秒激光可以实现金属材料的微细加工，为将飞秒激光投入实际应用，提供了准确指导。

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第一章 绪 论

1.1飞秒激光技术的概述及发展

1.2 飞秒激光金属微细加工理论的研究进展

1.3飞秒激光金属微细加工实验的研究进展

1.4课题研究的主要内容

第二章 飞秒激光微细加工的理论基础

2.1 引言

2.2 高斯光束

2.3 飞秒激光的加工优势

2.4 飞秒激光烧蚀固体材料的一般机理

2.5本章小结

第三章 飞秒激光微细加工金属的数值模拟

3.1 引言

3.2 双温模型

3.3 有限差分法求解

3.4 单脉冲模拟结果与分析

3.5 多脉冲模拟结果与分析

3.6 本章小结

第四章 飞秒激光加工系统和实验研究

4.1 引言

4.2 飞秒激光加工系统

4.3 飞秒激光的实验研究

4.4 飞秒激光微细加工金属的实验研究

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

在读期间公开发表的论文

致谢