飞秒激光烧蚀0Cr18Ni9不锈钢精度的影响因素.pdf

第26卷第8期 强 激 光 与 粒 子 束 V01．26，NO．8 2014年8月 HIGHPoWERLASERANDPARTICLEBEAMS Aug．，2014 飞秒激光烧蚀0Crl 8Ni9不锈钢精度的影响因素。 彭丽勇1， 唐 鹏1， 林家新1， 郭 亮L2， 张庆茂1 (1．华南师范大学广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室，广州510006； 2．华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510641) 摘 要： 为了研究影响飞秒激光烧蚀0Crl8Ni9不锈钢精度的因素，采用飞秒激光对0Crl8Ni9不锈钢进 行了切割和打孔实验。利用光学显微镜、光学金相显微镜等设备，对不锈钢烧蚀区形貌和切缝显微组织进行检 测，基于烧蚀过程中CCD实时采集到的不锈钢表面的激光光斑图样，采用COMSOLMultiphysic数值模拟软 件，模拟了烧蚀过程中激光束的发散传播行为，并计算了光束发散角。结果表明：当激光重复频率为5kHz时， 厚度为160／am的0CrlSNi9不锈钢切缝和孔边缘被明显烧黑，切缝处晶粒明显长大，存在热影响区；烧蚀过程 中，由飞秒激光超高功率密度所致的金属空气混合等离子体使光束沿传播方向上发生散射，发散角在6。～10。 之间。热影响区的存在和混合等离子体的行为是影响飞秒激光烧蚀0CrlSNi9不锈钢精度的主要因素。 关键词： 飞秒激光；激光烧蚀；不锈钢薄片；热影响区； 金属一空气混合等离子体 中图分类号：0436 文献标志码： A doi：10．11884／HPLPB201426．081016 传统短脉冲激光烧蚀金属材料，热传导效应严重影响烧蚀精度[2嵋]，已不能满足微纳加工的需求，飞秒激光备受 青睐[4西]，国内外学者对飞秒激光烧蚀金属材料精度问题进行了研究。然而，对于飞秒激光金属材料烧蚀，结果 由10 ps向50 孔研究，结果表明，随着激光脉宽由亚皮秒至飞秒变化时，孑L的精度先上升，达到一最高值后快速下降，烧蚀精 ns至50 度在1～10ps之间存在最高值日]。S．Klimentov等人采用脉宽为6fs不等的脉冲激光分别烧蚀不锈 钢，结果表明，当不锈钢被飞秒激光烧蚀时，烧蚀区的尺寸显著变大且烧蚀区形状不规则E93。国内学者也开展 了飞秒激光烧蚀材料的研究工作口。。12]，杨焕等人分别采用纳秒和飞秒激光刻蚀单晶硅，结果表明，在同等条件 下，飞秒激光的刻蚀精度并不具优势口3|。然而，国内外学者对飞秒激光烧蚀的研究主要集中在工艺探索上，而 对影响烧蚀精度的因素未作系统的研究。因此，研究影响飞秒激光烧蚀精度的因素对提高微纳加工质量显得 尤为重要和迫切。 本文在0CrlSNi9不锈钢飞秒激光切割、打孔的实验基础上，从烧蚀区三维形貌、金相组织两方面展开飞 Mul— 秒激光烧蚀研究，并基于同轴CCD实时采集到的烧蚀过程中不锈钢表面的光斑图样，运用COMSOL 蚀精度的实验依据和理论分析。 1实验方法 mm×50 mm×0．16 实验选用0Crl8Ni9不锈钢材料的几何尺寸为50 PrecisionMicroMachi Syst色mes公司生产的波长为1030nm、脉宽为400fs的激光精细微加工系统(Laser ningSystem)。实验装置示意图如图1所示，衰减镜、光闸分别用来调节激光输出功率和曝光脉冲数，xy运动 平台用于精密控制工件线性加工的方向和速率，FP旋光模组平台用于工件打孔和环切的精密控制，同轴CCD 用于实时观测激光与试样的作用情况。通过前期大量的工艺实验，确定用于激光烧蚀的工艺参数见表1。 01