金属粉末激光微成型系统研究

论文摘要

21世纪,科学技术的趋向之一是向微小方向发展,由毫米级、微米级继而涉及纳米级。微米/纳米技术使人类在认识和改造自然方面进入一个新的层次,使单位体积信息处理和运动控制的能力实现又一次飞跃。微、纳米粉末激光微成型技术是激光快速成型技术在微领域的应用和发展。该技术将选区激光烧结快速成型技术与纳米科学技术、激光技术、计算机控制技术结合起来,应用分层制造思想,以更精细聚焦的激光熔烧微、纳米粉粉末直接成形三维微结构。在微机械加工中,一个重要技术指标是分辨率,在快速成型微细加工中,把分辨率区分为扫描分辨率以及成型分辨率。成型分辨率是指成型的最小单位,也称为光固化单元;扫描分辨率则指扫描机构移动的最小距离。从成型工艺角度上讲,光固化单元就是单个激光脉冲固化固体金属粉末的体积或者单道激光光束固化金属粉末所获得固化轨迹的单位体积。要想获得细小的光固化单元,对于激光粉末快速微成形工艺而言,主要从下面两个方面入手:1.使用光斑直径细小的激光器2.选择粉末颗粒直径小的金属粉末作为激光粉末快速微成型固化材料为了解决精细聚焦问题,我们采用Nd:YAG倍频的方法获得短波长激光器。本文在激光烧结方法、短波长激光获得方法、短波长激光光束特性等方面进行了研究和探讨。本文根据非线性理论和光学谐振腔理论设计了在环形腔内对Nd:YAG激光进行腔外倍频的实验装置,并用实验证明了该实验方案的可行性,获得了光——光转换效率大约31.4%的0.532μm的绿光输出。在激光倍频领域,实现了首次成功利用环形腔方法对1kHz附近输出频率的1.064μm激光高转换效率倍频。从而为采用倍频技术获得良好的激光微成型光源提供了实验依据。从实验结果分析了环形腔倍频的特性,指出了该方法的优缺点。从光束质量和聚焦光斑直径方面,对基频光和二次谐波进行了比较,本文提供了利用CCD测得光斑的部分图片,并利用其对一些实验现象进行了比较。分析了环形腔倍频的工作原理,解决了困扰倍频技术的转换效率问题和光束质量问题,为激光微加工

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 激光微成型的学术背景及其理论与实践意义
• 1.1.1 激光微成型的学术背景
• 1.1.2 微成型领域研究进展及实践意义
• 1.1.3 激光粉末成型技术现状
• 1.2 激光微成型研究内容和亟待解决的问题
• 1.2.1 激光微成型的特点及要求
• 1.2.2 纳米相粉激光微成型技术的研究内容及纳米相粉的特点
• 1.3 纳米相粉微成型对激光光束的要求
• 1.3.1 精细聚焦激光光束对纳米相粉微成型的必要性
• 1.3.2 高斯光束的聚焦特性
• 1.3.3 获取精细聚焦光源的方法
• 1.4 本文的研究内容及其意义
• 第2章 Nd:YAG 倍频腔形设计
• 2.1 激光倍频的基本原理
• 2.2 晶体选择
• 2.2.1 高转换效率的稳态解
• 2.2.2 高斯光束倍频
• 2.3 Nd:YAG 环形腔外腔倍频
• 2.3.1 环形腔设计
• 2.3.2 倍频光路的设计
• 2.3.3 环形腔工作原理分析
• 本章小结
• 第3章 Nd:YAG 激光环形腔倍频实验研究
• 3.1 光－光转换效率的研究
• 3.1.1 调Q Nd:YAG 环形腔倍频
• 3.1.2 连续Nd:YAG 激光环形腔倍频的光－光转换效率的研究
• 3.1.3 无腔长调整的调Q Nd:YAG 激光环形腔倍频的转换效率研究
• 3.2 光束测定
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 倍频光与基频光在光束质量上的比较
• 3.2.3 倍频光与基频光聚焦情况比较
• 本章小结
• 第4章 光束整形及聚焦系统研究
• 4.1 光束整形的方案选择
• 4.2 光束整形的基本原理
• 4.3 整形器设计
• 4.4 聚焦系统
• 4.4.1 聚焦系统的设计
• 4.4.2 像差及像差计算
• 4.4.3 系统分辨率
• 4.5 聚焦系统的聚焦效果实验
• 本章小结
• 第5章 送粉系统
• 5.1 转刷式送粉器
• 5.1.1 转刷式送粉器概述
• 5.1.2 转刷式送粉器机械结构
• 5.2 直流电机电源及调速电路
• 5.3 金属粉末传送量的调节
• 5.4 送粉头
• 5.5 送粉效果
• 本章小结
• 第6章 激光与粉末相互作用
• 6.1 激光粉末微成型实验装置
• 6.1.1 激光粉末微成型实验装置构成
• 6.1.2 气体保护装置
• 6.2 粉末在激光作用下的熔化
• 6.2.1 粉末熔化的阈值分析
• 6.2.2 粉末材料对激光的吸收
• 6.2.3 2－3μm 铁粉熔化成型结果及现象分析
• 6.3 激光在粉末中的散射
• 6.3.1 粉末对入射激光散射的产生机理
• 6.3.2 广义米氏（Lorenz-Mie theory）散射理论
• 6.3.3 金属粉末内散射光强
• 6.4 熔渗现象
• 本章小结
• 第7章 激光粉末微成型方案比较
• 7.1 第一代激光粉末微成型系统
• 7.1.1 第一代聚焦系统
• 7.1.2 第一代送粉头
• 7.2 第一代激光微成型系统的经验、教训及启示
• 7.2.1 第一代送粉头输出管嘴处粉末受力分析
• 7.2.2 粉末束与激光束相交实现成型的尝试
• 7.2.3 粉末在工作台表面的运动及数理分析
• 7.2.4 第一代微成型系统的启示
• 7.3 预铺粉末激光微成型系统
• 7.4 第三代微加工系统
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间所获得的科研成果
• 附录
• 致谢