纳秒激光诱导若干金属材料微结构及其应用研究

论文摘要

自激光出现以来,利用激光进行微细加工一直是该领域的研究热点。纳秒激光具有脉宽窄、功率大和高稳定性等优点,在微加工领域得到了广泛应用。本文主要开展了纳秒级脉冲激光在若干金属表面诱导和制作微结构的研究,在理论上探讨了诱导的物理机理,完成了相关的实验和测试,并将该项技术应用于背光模组导光板模仁和数字衍射光变图像的制作,取得了产业化成果。本论文研究内容及主要成果归纳如下:1.激光与材料的作用机理与过程非常复杂,可能会引发局部加热、烧蚀、光化学反应、等离子激发等物理化学过程,非常有必要在理论上对纳秒激光对材料的作用机理进行研究。基于热力学理论的热效应模型,本文对激光烧蚀金属表面过程进行了数值模拟,发现纳秒激光与金属材料相互作用过程中的温度场呈高斯型分布,并由此计算得到铜,镍,钛金属材料的热损伤阈值,进而研究了热损伤阈值、激光脉冲数目和刻蚀深度三个物理量的关系,损伤阈值与脉冲数目的关系符合反比关系,最后趋于常数;金属的烧蚀深度与激光脉冲数目近似成平方根关系。2.纳秒激光聚焦在金属表面,能够在金属表面形成烧蚀痕迹,这是纳秒激光微加工的直接原因。本文首先设计了紫外波段(波长为351nm)单光束在金属表面烧蚀微结构的实验,得到了不同激光参数下金属铜、镍、钛材料的损伤阈值。实验结果表明,高激光能量可以烧蚀出深的凹坑结构,凹坑深度的可由激光脉冲能量和脉冲数目控制。单光束实验在微机械加工,精密打孔,激光打标等方面具有很大的应用前景。3.单光束激光在金属表面烧蚀微结构的精细程度受瑞利判据的限制,无法达到亚微米级的加工精度。双光束干涉法能在一定程度上提高加工精度,得到更加精细的亚微米光栅结构。本文开展了双光束干涉方法在金属铜、镍和钛表面刻蚀光栅的实验研究,得到了亚微米量级线宽的光栅;对激光能量、脉冲数目、光束口径等工艺参数对光栅形貌和衍射效率等的影响做了实验研究。光栅槽深达到200~400nm、衍射效率可以达到14%,双光束干涉法直接作用于金属特别适合于制作数字衍射光变图像。4.导光板是平板显示背光模组里的重要组成元件,将点或线光源转化成高亮度且均匀的面光源。传统上制作导光板方法光能利用率较低,本文利用纳秒激光在金属镍表面刻蚀的微锥形凹坑结构,通过改变其直径和深度,制作导光板模仁并结合微纳米压印技术,直接在PMMA或PC材质上进行压印,制作出高均匀度和亮度的导光板。此制作工艺已用到手机按键导光膜制作。5.在金属表面双光束干涉刻蚀光栅结构,特别适合于制作数码激光光变图像模版。这种新方法可控制光栅的槽深在200~400 nm之间,提高光栅的衍射效率。本文制作出了良好的数字衍射光变图像模版,相比于传统的LIGA工艺,减少制作流程,图像的衍射效果接近。为数字衍射光变图像存储与制版提供了一种新方法。本论文的工作为微锥形结构在激光打标、模仁制作、微机械制作等相关光学领域的应用发展提供了必要的理论基础和技术储备,同时,微光栅结构在立体光刻、数字衍射光变图像的制作及视读防伪器件加工具有很高的研究价值和广泛的应用前景。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 DPSSL的发展
• 1.2.1 DPSSL的发展历史
• 1.2.2 DPSSL的主要特点
• 1.2.3 DPSSL的耦合方式
• 1.3 激光微加工发展概况
• 1.3.1 激光精密打孔
• 1.3.2 激光精密微机械制作
• 1.3.3 激光精密切割
• 1.3.4 激光精密焊接
• 1.3.5 微光栅制作
• 1.3.6 薄膜激光转写
• 1.3.7 光波导形成
• 1.3.8 材料表面处理
• 1.4 DPSSL的应用领域
• 1.4.1 材料加工
• 1.4.2 同位素分离
• 1.4.3 激光核聚变
• 1.4.4 光谱学和声光探测的应用
• 1.4.5 科学研究
• 1.5 纳秒激光对材料的的表面烧蚀
• 1.5.1 影响材料损伤阈值的因素
• 1.5.2 材料损伤阈值的探测方法
• 1.5.3 激光对材料破坏的机理研究
• 1.6 本文的主要内容与创新点
• 1.6.1 本论文的主要内容
• 1.6.2 主要创新点
• 第一章参考文献
• 第二章 纳秒激光加工机理研究
• 2.1 理论模型的建立
• 2.2 温度场理论模型建立
• 2.2.1 激光能量在样品内部分布
• 2.2.2 热传导方程
• 2.2.3 样品表面发生熔融前的温度分布规律
• 2.2.4 样品表面发生熔融后的温度分布规律
• 2.3 损伤阈值及刻蚀深度
• 2.3.1 材料的损伤阈值
• 2.3.2 材料的刻蚀深度
• 2.4 理论计算结果
• 2.4.1 镜面铜的模拟计算结果
• 2.4.2 镍和钛的模拟计算结果
• 2.4.3 材料损伤阈值与脉冲数目的关系
• 2.4.4 单脉冲刻蚀深度与激光能量的模拟计算
• 2.4.5 多脉冲刻蚀深度与脉冲数目的模拟计算
• 2.5 本章小结
• 第二章参考文献
• 第三章 单光束激光烧蚀研究
• 3.1 系统组成
• 3.2 实验材料及实验方法
• 3.2.1 实验步骤
• 3.2.2 单脉冲烧蚀实验
• 3.2.3 多脉冲烧蚀实验
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 烧蚀形貌的测量
• 3.3.2 损伤阈值的测量
• 3.3.3 烧蚀深度的测量
• 3.4 多脉冲制作导光板膜仁
• 3.4.1 导光板设计方法
• 3.4.2 导光板制作方法
• 3.4.3 微锥型导光板
• 3.4.4 导光效果测量
• 3.5 本章小结
• 第三章参考文献
• 第四章 纳秒激光干涉光刻的实验研究
• 4.1 实验装置
• 4.2 激光干涉刻蚀实验结果
• 4.2.1 玻璃基质铬膜刻蚀微光栅结构的实验研究
• 4.2.2 镀铬镜面不锈钢表面刻蚀微光栅结构的实验研究
• 4.2.3 镍板的激光刻蚀微光栅结构的实验
• 4.2.4 四光束激光干涉刻蚀实验
• 4.3 激光刻蚀参数对微光栅结构的影响
• 4.3.1 激光能量对微光栅刻蚀槽深的影响
• 4.3.2 激光能量对微光栅刻蚀占宽比的影响
• 4.3.3 脉冲数目对微光栅刻蚀槽深的影响
• 4.3.4 脉冲数目对微光栅刻蚀占宽比的影响
• 4.3.5 光栅周期对微结构槽深的影响
• 4.3.6 光束口径对微光栅槽深的影响
• 4.4 微光栅结构衍射效率测量
• 4.4.1 玻璃基质铬膜表面微光栅衍射效率
• 4.4.2 镍板表面微光栅衍射效率的测量
• 4.4.3 微光栅衍射光谱效率检测
• 4.5 微光栅点阵的应用
• 4.6 本章小结
• 第四章参考文献
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢
• 详细摘要