飞秒激光烧蚀齿曲面的复耦合模型及形貌影响

针对飞秒激光烧蚀齿曲面过程中能量累积效应与变离焦效应对齿面形貌与烧蚀尺寸的影响问题，建立飞秒激光烧蚀复耦合模型，通过有限差分法求解得到激光烧蚀面齿轮材料18Cr2Ni4WA的电子与晶格在不同的脉宽与能量密度下的温度变化分布，对烧蚀凹坑的深度及半径进行仿真。考虑激光束在加工齿面时，与被加工齿面之间存在倾斜角，根据光斑能量分布方式得到齿面底角与激光能量的定量关系，结合焦半径与折射率的变化，对飞秒激光烧蚀齿面深度、半径与形貌进行研究。通过实验得到当激光能量密度为1.783 J/cm²且被加工齿面底角过大时，激光能量降低烧蚀过程只发生在材料表面；当能量密度为2.376 J/cm²、激光脉冲数为3 000时，烧蚀凹坑的微结构细密良好。研究结果表明飞秒激光烧蚀曲面时，激光有效能量随着倾斜角的变化降低，同时激光光斑的能量分布影响了烧蚀凹坑深度的变化，可为提高飞秒激光加工齿曲面质量提供参考。