纳秒激光抛光钛合金Ti6Al4V作用机理的实验研究

对钛合金进行抛光可以优化表面质量、提高耐磨损性能和使用寿命。运用纳秒脉冲光纤激光器进行钛合金Ti6Al4V抛光实验,通过光学轮廓仪测量不同激光光束形状、脉冲能量密度、光斑重叠率、脉冲宽度下的钛合金Ti6Al4V工件表面粗糙度变化规律。结果表明:平顶光束能够达到的粗糙度更小,激光脉冲能量密度增大,凸起消融越多,工件表面粗糙度减小;光斑重叠率增大,粗糙度减小,重叠率过大,受热应力的影响,凝固后的表面变得不平滑,粗糙度增大;一定范围内的脉冲宽度的增加,凸起消融越多,粗糙度减小。研究结果对提高钛合金抛光效率,优化钛合金性能有促进作用。     

用于自由曲面表面测量的激光差动共焦传感器

针对自由曲面测量问题,构建了一套高精度大量程激光差动共焦传感器。该传感器基于激光差动共焦原理,利用归一化单点定焦模型减小被测表面倾斜角度、反射率的影响,结合非等距分数阶累加预测算法预判焦点位置,实现快速跟踪定焦。将气浮导轨与PZT结合拓展轴向扫描范围。实验表明,该传感器轴向分辨力优于3nm,可测量表面倾斜角度达22°,轴向扫描范围达50mm,差动曲线的过零点标准偏差为5.7nm,有良好的重复性。该传感器为自由曲面的面型轮廓测量提供了一种新的方法。     

内渐进多焦点镜片的加工

介绍了加工内渐进多焦点镜片的自由曲面数控机床的基本结构及工作原理,开展了机床的加工工艺实验,用以改善内渐进多焦点镜片的光学性能。实验结果表明,车削阶段影响表面粗糙度的两个主要因素是镜片材料和切削速度;得到了抛光效果良好的两个抛光参数:抛光时间是50s—100s,抛光气压是0.03 MPa—0.06 MPa;不同材料的镜片车削后表面粗糙度不同,抛光后表面粗糙度基本相同。     

纳米α-Al2O3磨料抛光单晶硅片光滑表面的形成机理

"将纳米α-Al2O3粉体配制成抛光液并冷冻成冰结抛光垫对单晶硅片进行了抛光,用原子力显微镜观察了抛光表面的微观形貌并测量了其表面粗糙度,采用透射电镜观察了单晶硅片抛光后的断面形貌．为进一步分析抛光过程中的化学作用机理,采用X射线光电子能谱分析了单晶硅片抛光后表面的化学成分．利用纳米压痕仪的划痕附件对单晶硅片进行了划痕测试,研究了抛光过程中的机械作用机理．结果表明纳米α-Al2O3磨料冰冻抛光单晶硅片时,在1 mm￡1 mm的范围内得到了微观表面粗糙度为0.367 nm的超光滑表面,亚表面没有任何损伤,材     

离子束作用下的光学表面粗糙度演变研究

 为了获得超光滑光学表面,介绍了离子束作用下改善表面粗糙度的抛光方法,并通过相关的实验进行了验证。光学材料是典型的硬脆材料,在加工过程中的表面粗糙度要经历复杂的演变过程。离子束加工作为光学镜面加工中的最后一道工序,如果在修正面形的同时,能够有效地改善表面粗糙度,那么离子束加工的性能就可以得到更好的延伸。分析了离子束作用下的粗糙度演变机理,在此基础上提出了倾斜入射抛光和牺牲层抛光技术2种改善表面粗糙度的方法,并使用原子力显微镜进行了测量。实验结果表明：以45°倾斜入射抛光熔石英样件,其粗糙度由初始的0.67nm RMS减小到0.38nm RMS;涂上牺牲层的材料表面粗糙度由0.81nm RMS减小到0.28nm RMS,倾斜入射抛光和牺牲层抛光技术能够有效地改善表面粗糙度。     

偏振态对飞秒激光加工石英玻璃表面质量的影响

为研究线偏振和圆偏振对飞秒激光烧蚀加工石英玻璃表面质量的影响,开展不同扫描速度的线烧蚀试验和不同线重叠率的面烧蚀试验。研究了线、圆偏振光对烧蚀线宽度的影响,利用光学显微镜和环境扫描电子显微镜观察烧蚀形貌,并使用三维表面轮廓仪进行烧蚀面粗糙度分析。结果表明:线偏振光烧蚀线宽度大于圆偏振光,且激光功率越大,线宽差异越明显;当线重叠率在65%~90%时,线偏振光烧蚀表面粗糙度随重叠率增大而增大,在重叠率为65%时达到1.33μm;线轮廓算术平均偏差随重叠率增大先减小后增大,并在重叠率为80%时达到较小值1.05μm;当重叠率不到80%时,线偏振光烧蚀面线轮廓算术平均偏差比圆偏振光小;重叠率为90%时,其线轮廓算术平均偏差反而比圆偏振光大。     

交流和纳秒脉冲Ar/H2O介质阻挡放电聚丙烯材料表面亲水改性对比研究

为了提高等离子体对聚合物材料表面处理的应用效果,优化亲水处理的条件,研究了交流和纳秒脉冲氩气介质阻挡放电（DBD）中添加适量H₂O,对聚丙烯（PP）亲水改性的处理效果。利用电学和光学诊断方法,系统地对比了交流DBD和纳秒脉冲DBD的放电特性,结果表明,纳秒电源驱动DBD具有更高的放电瞬时功率,更好的放电均匀性和更高的能量效率。通过测量不同水蒸气含量下DBD的OH发射光谱强度,确定了PP材料亲水性处理中H₂O添加的最优含量。利用交流和纳秒脉冲电源驱动DBD分别对PP材料进行亲水改性的处理,测量了不同条件下改性处理后的表面水接触角,并利用原子力显微镜（AFM）和傅里叶红外光谱（FTIR）分别对处理前后PP材料的表面物理形貌和表面化学成分进行分析。结果发现,经DBD处理后PP材料的水接触角明显降低,表面粗糙度明显增大,表面的亲水性含氧基团,羟基（?OH）和羰基（C=O）的数量大幅增加。相比交流电源,纳秒脉冲DBD处理的改性效果更好,其处理后的材料表面水接触角,比交流DBD处理的低5°左右,表面粗糙度也有所提升。而水蒸气的加入可使PP材料的表面水接触角进一步减小4°左右,表面粗糙度明显提升。研究结果为优化DBD聚合物材料表面改性实验条件及处理的效果提供了重要的参考依据。     

不同离子束参数刻蚀蓝宝石纳米微结构及其光学性能

使用微波回旋共振离子源,研究Ar+离子束在不同角度、不同入射能量下对蓝宝石表面的刻蚀效果及光学性能。结果表明:所用能量800 eV,1 000 eV及1 200 eV时透过率都有很大的提升,由原来的50％提高到70％~80％,在能量为1 000 eV时增幅最大,能量为1 200 eV时增幅最小;在相同能量、不同角度下刻蚀后蓝宝石粗糙度呈先增大后减小的趋势,而在相同角度、不同能量下粗糙度方面无明显规律。刻蚀后表面形貌测试表明:角度不变,能量为1 000 eV时出现点状纳米结构,能量为1 200 eV时出现柱状纳米结构;能量不变,角度为10、50及80时出现了规律较明显的点状或条状纳米结构,角度为30时表面较为光滑。     

基于散粒磨料振动抛光非球面加工技术研究

鉴于非球面光学元件的应用日益广泛,非球面加工技术成为研究热点,提出一种基于散粒磨料振动抛光非球面的加工方法。非球面元件待抛光表面与磨粒均匀接触,通过振动抛光装置为游离磨粒提供抛光作用力,使材料去除均匀,降低表面粗糙度。以材料为ZK-10L、尺寸为Φ55 mm的光学元件为实验对象,分析了振动幅度、抛光液浓度、磨粒粒径和抛光时间对抛光效果的影响,当振动幅度为5 mm、抛光液浓度为80 g/L、磨粒粒径为1 mm时,振动抛光8 h后试件的表面粗糙度从84.4 nm降低到9.4 nm,而试件的面形精度基本不变,从而在保证面形的前提下达到抛光的目的。     

基于表面微结构的超薄背光模组透镜设计

根据全反射原理设计了一款基于表面微结构的超薄透镜，由自由曲面将光源出射的光线进行准直，随后利用微米级表面微结构将准直光线反射到底部，再配合底部的反射膜将光线进行二次反射，从而能够在较小的混光距离（OD）下有效增大光斑尺寸。利用边缘光线原理，改善了扩展光源下光线经自由曲面后准直性劣化问题。仿真结果表明，该透镜应用于超薄背光模组时，能够在OD为3 mm、距离-高度比（DHR）为15 mm的3×3阵列下获得82%的均匀性，相比传统双自由曲面透镜均匀性提升40.7%。该透镜设计方法简单，避免了双自由曲面透镜尺寸较小时加工误差的影响，无需后期大量复杂的优化工作，具有较大的实际应用价值。     

平面调制靶的正弦波曲面超精密加工与表征

采用超精密车削技术加工微尺度正弦波调制曲面微结构,解决了尖刃金刚石刀具刃磨和刀具对中等关键技术,研究了进给量、背吃刀量和主轴转速等主要切削参数对铜模板表面粗糙度的影响规律。加工出波长为（20～150）m0.5 m﹑峰谷高度差为（0.2～20）m0.1 m的带正弦波调制曲面。采用原子力显微镜对模板表面轮廓扫描,在20 m20 m的范围内,其表面粗糙度均方根值小于10 nm。将正弦波调制曲面测量结果与理论轮廓进行比较,采用最小二乘寻优算法评定轮廓误差。完成了曲面轮廓的功率谱表征,利用加工的曲面微结构制备了平面调制靶,实现正弦波调制曲面轮廓的精确转移。     

大理石文物样品皮秒激光清洗实验研究

随着超快激光“冷加工”技术的发展,超快激光逐渐开始应用于文物保护领域。针对古城墙文物表面污染物清洗的应用需求,制作类城墙的大理石文物及表面污染物模拟样品,进行基于皮秒激光的文物样品清洗实验研究,并与纳秒激光清洗的效果进行对比。实验中采用共聚焦显微镜观测和荧光能谱仪成分分析等手段,改变激光输出能量,清洗次数和扫描速度等激光清洗参数,在不损伤大理石基底并综合考虑清洗效率和清洗效果基础上,寻找优化实验参数。实验发现皮秒激光清洗优化参数为激光功率18W,扫描速度1000mm/s,清洗次数8次。清洗后主要污染物硫元素占比下降94.57%,清洗后区域表面粗糙度为1.267μm。综合考虑清洗后污染物成分占比、表面粗糙度等方面,皮秒激光清洗大理石文物样品的整体效果优于纳秒激光清洗区域。     

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采用纳秒脉冲电源,在静止空气条件下,开展了不同气压、放电距离和电压条件下的大体积纳秒脉冲放电实验研究.研究表明,当长度固定为200mm时,气压为250Pa时,随着电压的增大,放电区域从圆锥电极附近扩展到整个通道.当电压为12kV时,放电布满整个通道;随气压升高,初始放电电压增大.实验中发现在电压升高到一定程度时纳秒脉冲电离出现不稳定性,表现在气压相对较低时等离子体出现径向波动,气压相对较高时非平衡等离子体放电向电弧放电转变.分析认为,为了实现大体积均匀放电等离子体的产生,阻止放电不稳定性发生,应该采用上升沿时间更短,脉宽更小,电压更高的纳秒脉冲电源.     

放大自发辐射对激光冲击处理7050铝合金的影响

 利用高功率钕玻璃激光器对7050铝合金表面进行了冲击处理,保持泵浦功率不变,用压电传感器和示波器测试了激光冲击产生的压力波形,用X射线应力测量仪测量了激光冲击后铝合金表面的残余应力,并用非接触式光学轮廓仪分析了激光冲击后铝合金的表面形貌,研究了放大自发辐射强度对激光冲击处理7050铝合金冲击压力、残余应力和粗糙度影响的微观机理。研究结果表明:在泵浦功率不变前提下,放大自发辐射强度的增大降低了激光冲击波压力,铝合金表面残余压应力也随之降低,同时铝合金表面粗糙度增大。     

纳米氧化铈的制备及其抛光性能的研究

采用溶胶-凝胶法制备了纳米CeO2粉体,并采用XRD、TOF-SIMS对其进行了表征。结果表明平均晶粒度在13.3nm,粒度分布均匀。进而研究了纳米CeO2在玻璃基片抛光中的抛光性能。ZYGO形貌仪表明,抛光后其表面平均粗糙度值(Ra)可降低到0.6nm左右。原子力显微镜(AFM)在5μm×5μm范围内测得基片表面粗糙度Ra值为0.281nm,表面光滑,划痕等表面微观缺陷明显改善。     

532 nm纳秒激光辐照下的单晶硅表面微结构及荧光特性

采用Nd:YAG纳秒脉冲激光对单晶硅在空气中进行辐照,研究了表面微结构在不同能量密度和扫描速度下的演化情况。扫描电子显微镜测量表明,激光在相对较低能量密度下辐照硅表面诱导出鱼鳞状波纹结构,激光能量密度相对较大时,诱导出絮状多孔的不规则微结构。光致荧光谱（PL）表明,激光扫描区域在710 nm附近有荧光发射。用氢氟酸腐蚀掉样品表面的SiOx后,荧光峰的强度显著降低,说明SiOx在光致发光增强上起重要作用。能量色散X射线谱（EDS）表明氧元素的含量随激光能量密度的增大而增加。研究表明:纳秒激光的能量密度和扫描速度对微结构形成起着决定性作用,改变了硅材料表面微结构尺寸,增大了光吸收面积; 氧元素在光致发光增强上起重要作用,微构造硅和SiOx对光致荧光的发射都有贡献。     

金属基及涂层表面粗糙度的测量方法研究

本文用干涉显微镜法，触针法，总体积分散身镜向反射光强法对未抛光铝基。抛光微粗糙铝基，微粗糙不锈钢基，微粗糙钢基和涂漆表面的粗糙度进行了实验测量和对比分析，从粗糙面激光散射角度讨论了各种方法的适用范围和局限性。     

窄脉宽激光诱导背向选择性去除金属薄膜制备微电路(特邀)EI北大核心CSCD

为了在透明基板上制备出导电性能良好的微电路,研究了窄脉宽激光正向和背向选择性去除金属薄膜制备的微结构形貌特征,开展了纳秒激光选择性去除Cu薄膜(厚度为150 nm)的实验和温度场仿真研究,揭示了正、背面去除的烧蚀机理和材料的喷射机制。实验结果表明,当激光脉冲能量为0.270~0.542μJ,扫描速度为2 mm/s时,激光诱导背向去除金属薄膜在加工质量方面优于正向加工,其去除几何精度高,轮廓边缘平整,几乎没有溅射。采用优化后的纳秒激光加工工艺参数,激光脉冲能量为0.403μJ,扫描速度2 mm/s,扫描线间距为3μm,制备出均匀分布的铜阵列图案。在相同参数下对玻璃基板上的铜薄膜背向选择性去除,得到具有良好导电性和粘附性的微电路。     

熔石英亚表面横向划痕调制作用的3维模拟

建立了熔石英后表面3维横向划痕模型,并采用3维时域有限差分方法对熔石英亚表面划痕周围的电场强度进行了数值模拟,分析了划痕宽度、深度、长度以及划痕倾斜角度对入射光场的调制作用,结果表明:随划痕深度和划痕长度的增加,熔石英内的最大电场强度增大,且当划痕长度达到1μm以上时,最大电场强度趋于稳定;划痕结构因子在1~2之间的划痕较容易引起熔石英损伤;而入射激光在划痕界面和后表面之间发生内全反射时,后表面上的光强增强效果更加明显,因此减少角度范围在20.9°~45°之内的划痕能大幅提高熔石英的损伤阈值。     

用于LED广告灯箱的自由曲面大角度透镜设计与仿真

基于能量守恒定律和网格划分法,设计了一种实现LED阵列近场均匀照明的自由曲面大角度透镜,其内曲面为椭圆形曲面、外曲面为自由曲面.根据能量守恒定律建立映射关系,对光源和目标面进行网格划分,并结合折射定律,迭代求解出外自由曲面数据点.分析了椭圆形内曲面的长短轴比值对透镜菲涅耳损耗和照度均匀性的影响.结果表明:短轴与长轴的比值在0.35~0.55时,出光效率和照度均匀性最佳.通过反馈优化法对LED阵列进行优化,重新划分网格,使叠加部分光照度减弱,提高了整体光照均匀性.仿真结果表明:仅对透镜外自由曲面的面型数据点进行优化,在目标面高度为80mm,透镜出光角度为157°时,优化后的整体光照均匀度由优化前的0.40提高到0.84,出光效率大于0.9.