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《广东工业大学》 2011年
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紫外激光抛光蓝宝石晶体过程研究

宋悠全  
【摘要】:蓝宝石的是α-Al2O3单晶体,其透光性、热传导性、绝缘性及力学机械性都较好;被广泛应用于工业、医疗、国防、航空航天等领域。激光抛光工艺具有传统抛光无可比拟的优点,具有广阔的发展前景。 本文对短波长紫外激光抛光蓝宝石的机理进行理论和实验研究,作者在总结激光微细加工及其机理的基础上,理论上分析了激光刻蚀蓝宝石中存在的热作用和光化学作用;实验研究了355nm紫外激光刻蚀蓝宝石,以及实验研究激光能量密度、重复频率、扫描速度、扫描方式、激光入射角等不同工艺参数下,紫外激光抛光蓝宝石的机理及其对表面粗糙度的影响,并用正交实验的方法对各工艺参数进行优化 1.理论分析得出355nm紫外激光刻蚀蓝宝石的破坏阈值16.23J/cm2,基于SSB模型,分析紫外激光刻蚀蓝宝石过程中同时存在光化学作用及热作用;结合高斯光斑特性,推导出激光光化学作用和热作用刻蚀深度模型。 2.通过紫外激光刻蚀蓝宝石实验研究得出:355nm紫外激光刻蚀蓝宝石的破坏阈值为14.8J/cm2,与理论推导值接近。刻蚀实验分析证明紫外激光刻蚀蓝宝石中光化学作用与热作用同时存在,并以热作用为主。研究了激光能量密度对蓝宝石刻蚀机理的影响:在激光能量密度为18.7-40.3J/cm2时,刻蚀中光化学作用的比率较高,在激光能量密度为25.9-35.5J/cm2时,光化学作用刻蚀的比率最高。拉曼光谱分析表明,激光能量密度较小时,激光的热作用对蓝宝石表面的组织结构破坏较小,激光光化学作用使蓝宝石刻蚀表面结构发生细微变化,对蓝宝石材料基体的损伤小;激光能量密度高时,激光强烈的热作用破坏蓝宝石表面组织结构,生成非晶态的热损伤层。激光能量密度的增大或刻蚀脉冲数的增加,刻蚀凹坑的深度和直径增大,凹坑剖面形状由“V”型逐渐向“U”型转变,刻蚀凹坑的深度大于理论计算的深度。 3.通过单因素抛光实验研究得出:随着激光能量密度、重复频率、扫描速度、激光入射角的增大,抛光表面粗糙度R。减小。在激光能量密度为30.2-35J/cm2时,光化学作用抛光比率最大,表面粗糙度R。最低;在重复频率为25-30kHz时,表面粗糙度R。达到最低;在扫描速度为80-120mm/s时,表面粗糙度R。最低;在20°-40°时,表面粗糙度R。最小。扫描方式越复杂,表面粗糙度Ra越低,交叉两次扫描的角度为60°时,表面粗糙度Ra最低。多因素正交优化实验研究得出:抛光扫描速度对抛光表面粗糙度Ra的影响最为显著,获得355nm紫外激光抛光蓝宝石最低表面粗糙度的最优工艺参数组合为:激光能量密度30.2J/cm2,重复频率25kHz,扫描速度120mm/s,入射角度35°,扫描方式两次交叉扫描且交叉角度为75°。最佳工艺参数条件下蓝宝石抛光表面相对更平坦、整洁;热作用相对较弱,微观表面团絮状破碎较少;抛光表面较均匀。
【学位授予单位】:广东工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN249

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【参考文献】
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