1 西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710064
2 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西 西安 710064
电子器件的高质量和高密度互联对激光加工硬脆电子陶瓷基板表面孔的质量提出了更高的要求。综述了长脉冲毫秒激光、短脉冲纳秒激光和超快激光加工的电子陶瓷基板孔的形貌特征，主要包括孔的表面形貌特征(如孔口圆度、孔表面喷溅物、孔表面微裂纹和孔表面热影响区等)及孔的侧壁形貌特征(如孔的锥度、孔侧壁重铸层和孔侧壁表面微裂纹等)。
中国激光
2022, 49(10): 1002403
1 长春理工大学物理学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学化学与环境工程学院, 吉林 长春 130022
铝合金中Fe元素的浓度会影响铝合金的软硬程度, 从而影响铝合金器件的工作使用寿命, 因此铝合金中Fe的含量检测精度非常重要, 开展了空间约束结合支持向量机提高毫秒激光诱导击穿光谱的铝合金中的Fe元素成分检测精度研究。 在平板空间约束条件下, 毫秒激光诱导铝等离子体光谱出现了光谱增强, 并且提高了等离子体辐射光谱稳定性, 光谱辐射中的Fe Ⅰ 345.99 nm, Fe Ⅰ 369.51 nm, Al Ⅰ 394.40 nm, Al Ⅰ 396.15 nm四条特征谱线的增强因子分别为2.20, 2.14, 2.28, 2.41。 建立了基于外标法和支持向量机(SVM)的铝合金中Fe元素定量分析定标模型, 采用外标法得到有无平板空间约束下ms-LIBS对Fe元素的定标曲线的拟合相关系数R2, RMSEC, RMSEP和ARE分别为0.893, 0.261 Wt%, 0.156 Wt%, 40.977%和0.852, 0.337 Wt%, 0.274 Wt%, 42.947%。 在约束条件下SVM模型的RMSEC为0.086 2 Wt%, RMSEP为0.043 1 Wt%; 采用SVM方法得到有无平板空间约束下ms-LIBS对Fe元素的定标曲线的拟合相关系数R2, RMSEC, RMSEP和ARE分别为0.984, 0.086 Wt%, 0.043 Wt%, 3.715%和0.941, 0.134 Wt%, 0.051 Wt%, 12.353%。 结果表明, 在空间约束条件下, 采用ms-LIBS结合SVM方法能够大幅度提高ms-LIBs的定量分析精度和实验重复性, 且有效降低了铝合金的基体效应, 能够满足铝合金的痕量元素快速检测。
激光诱导击穿光谱 支持向量机 空间约束 毫秒激光 铝合金 Laser-induced breakdown spectroscopy Support Vector Machine Spatial constraint Millisecond laser Aluminum alloy
中国人民解放军陆军工程大学 军械士官学校，湖北 武汉 430075
在绕地轨道上残留着大量的空间碎片，这些人类航天活动造成的太空污染已经严重威胁到太空飞行器的安全。其中，直径在1~10 cm之间的碎片具有致命的潜在危害，是急需解决的麻烦。激光清扫空间碎片也愈来愈引起科学领域的关注，其中天基脉冲激光是清扫这类小型空间碎片的有效技术途径之一。由于现有方案中的天基超短脉冲、超大能量、紧凑可靠的激光器在工程上难以实现，笔者创新提出了自由振荡脉冲激光天基清扫空间碎片的思想与方案。通过模拟分析发现自由振荡激光的脉冲持续时间是其产生大冲量的优势，从机理和效应上与纳秒激光进行了对比，证明了“热金属蒸气反喷”比“等离子反喷”的冲量增量与能量利用率更高。建立了激光消融金属的物理模型，模拟分析得到了当激光功率密度大于5×106 W/cm2时，金属液滴的直径一般不大于60 μm的结果，说明了激光清扫空间碎片过程中相伴产生的“微碎片”不会有“次生危害效应”，反而能在一定程度上加速碎片清扫。该文为自由振荡激光器在天基清扫碎片的领域应用奠定了基础。
天基激光 自由振荡激光 空间碎片 毫秒激光 space-based laser free running laser space debris ms laser 红外与激光工程
2021, 50(S2): 20200198
1 西安交通大学机械制造系统国家重点实验室, 陕西 西安 710049
2 上海工程技术大学材料工程学院, 上海 201620
毫秒和纳秒激光以其高可靠、高效率、低成本和可加工硬脆难加工材料的独特优势,成为加工氧化铝和氮化铝陶瓷的首选,在电子陶瓷基板表面孔的工业化加工中具有不可替代的作用。介绍了毫秒和纳秒激光加工作为电子基板的陶瓷材料的去除机理,如材料烧蚀阈值、光热作用和光化学作用等,讨论了毫秒和纳秒激光加工参数、加工环境等因素对陶瓷材料表面孔加工尺寸(如直径、深度和锥度等)的影响规律,总结了目前陶瓷基板表面激光孔加工工业化应用面临的问题,并对其未来的发展方向进行了展望。
激光技术 电子陶瓷基板 氧化铝 氮化铝 毫秒激光 纳秒激光 孔
1 南京理工大学 理学院, 江苏 南京 210094
2 南京理工大学 先进固体激光工业和信息化部重点实验室, 江苏 南京 210094
利用毫秒激光损伤测试平台, 通过改变焦距和聚焦位置, 研究了K9玻璃前后表面附近的损伤概率和损伤形貌。结果表明, 焦平面位于前表面时以热熔损伤为主, 焦平面位于后表面时则以应力损伤为主, 且尺寸明显大于前表面。建立二维热力学模型并对温度场和热应力场进行计算, 结果显示, 径向应力和环向应力是导致材料产生应力损伤的主要因素。激光辐照过程中在前表面产生的燃烧波能够增强激光能量耦合效率, 是材料前表面产生熔融损伤的原因之一。此外, 实验发现,焦距较短时, 损伤概率随焦平面与样品表面距离的增大迅速下降, 焦距较长时, 易在样品前后表面同时产生损伤, 这与透镜的焦深有关。
激光损伤 毫秒激光 K9玻璃 焦距 laser damage millisecond laser K9 glass focal length 红外与激光工程
2019, 48(8): 0805005
为了研究毫秒激光致硅靶的熔融喷溅机理, 采用阴影法, 通过高速CCD获得了毫秒激光与固体靶材(硅靶和铝靶)相互作用的序列阴影图, 研究了毫秒激光致固体靶材的融熔喷溅过程。实验上对比了毫秒激光致硅靶和铝靶熔融喷溅过程的不同, 并对毫秒激光致固体熔融喷溅形成的机制进行了讨论。根据两种靶材融熔喷溅机理不同, 解释了两种靶材融熔喷溅物的形貌、喷溅角度、喷溅物分布和喷溅物亮度不同的原因。结果表明, 毫秒激光对两种靶材均能产生气化和熔融喷溅过程, 但气化强度和熔融喷溅物的形态、亮度均不相同; 激光作用硅靶时, 作用区域所产生的气化现象不明显, 熔融喷溅物呈液滴状, 其亮度强于背景光, 熔融喷溅方向与靶材前表面法线所成角的最大值为45°, 熔融喷溅物分布在其间; 而激光作用铝靶时, 作用区域的铝靶所产生的气化现象更加明显, 熔融喷溅物呈线状不透明流体, 其亮度低于背景光, 熔融喷溅方向与靶材前表面法线所成角度为20°, 熔融喷溅物分布在熔融喷溅方向所在的直线周围。该研究对激光加工技术是有帮助的。
激光物理 熔融喷溅 阴影法 气化 毫秒激光 laser physics molten liquid ejection shadow methods gasification millsecond laser
武汉职业技术学院电子信息工程学院, 湖北 武汉 430074
分别采用纳秒激光器和毫秒激光器对0.2 mm不锈钢进行搭接焊接工艺研究。在纳秒激光焊接工艺优化试验中, 对激光功率, 脉冲宽度, 焊接速度三因素进行正交试验, 在毫秒脉冲激光焊接工艺实验中, 对激光峰值功率, 脉冲宽度进行优化试验。结果表明: 在下层材料背面无痕迹的前提下, 在各自的最佳工艺参数条件下, 纳秒焊接的单点最大拉力可达36.8 N, 毫秒焊接最大拉力为23.3 N。对焊点切片分析表明, 纳秒焊接的焊点截面成“束状”, 相对于毫秒激光焊点截面的“U”形, 上下两层材料之间的熔合面积较大。
纳秒激光器 毫秒激光器 不锈钢 激光焊接 nanosecond laser millisecond laser stainless steel laser welding
所有的光电探测器在受到激光辐照时都可能被损坏，对探测器的性能产生不利的影响。为了研究脉冲串激光辐照对光电二极管造成的损伤，建立了脉冲串激光辐照光电二极管的二维轴对称模型及热源模型，采用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟了1064 nm毫秒级脉冲串激光辐照光电二极管的温度场分布。研究结果表明脉冲个数N为1,3,5,10,30的脉冲激光辐照下，达到光电二极管的熔融损伤阈值所需的脉冲能量密度范围为19.1~76.4 J/cm2。研究结果对毫秒级脉冲串激光在激光加工以及激光防护的应用方面具有指导意义。
探测器 高斯脉冲 毫秒激光 光电二极管 损伤阈值 激光与光电子学进展
2017, 54(4): 040401
1 南京理工大学理学院， 江苏 南京 210094
2 周口师范学院机械与电气工程学院， 河南 周口 466001
Ti6Al4V合金在毫秒激光打孔过程中，沿孔壁会形成严重影响成品性能的重铸层。考虑熔体受到的热学和力学等方面的影响，基于修改的流体力学方程和改进的水平集法，建立了激光打孔的固/液/气三相二维数值计算模型，在单脉冲能量为3 J的条件下,对不同脉宽参数的激光打孔进行数值研究。运用后处理技术提取了打孔过程中重铸层的温度场、流场和厚度分布情况。结果表明，蒸发和喷溅是熔体排除的主要方式，重铸层是在热-力耦合作用下形成的。重铸层的厚度随激光脉宽的增大而增加，并呈现从孔口到孔底逐渐变薄的特征。
激光技术 激光打孔 重铸层 水平集法 Ti6Al4V合金 毫秒激光
1 南京理工大学 理学院 信息物理与工程系，江苏 南京 210094
2 长春理工大学 理学院，吉林 长春 130022
研究了用毫秒脉宽的长脉冲激光单个脉冲打深孔的成形过程和打孔速率。首先，由切割法得到了1 ms脉宽的Nd∶YAG高斯激光对厚铝板打孔时孔的形貌，激光能量为7.9和28.9 J时，对应的孔深分别为1.849和2.975 mm。根据实验建立了轴对称模型，通过热传导方程得到了固相温度的解析解。然后，假设物质一旦熔融就离开孔，由能量平衡原理得到了孔形状的表达式。实验发现随激光能量增加，孔深增加，计算与实验结果差异也增大；进一步的计算显示，在其他条件不变时，光束半径的变化对孔深的影响较大。因此，引入离焦效应对算法进行了改进，改进后的计算结果与实验总体相符。最后，研究了长脉冲激光对铝、铜、银和钛4种金属的打孔速率，结果表明，钛对激光吸收最强、热传导率能力最弱，打孔速率最大。
激光打孔 毫秒激光 打孔速率 离焦效应 laser drilling millisecond pulsed laser drilling speed defocusing effect
