飞秒激光抛光碳化硅陶瓷材料的工艺过程研究

论文摘要

碳化硅是继硅、锗、砷之后发展起来的第三代半导体材料。其具有比刚度高、热稳定性好等优点,已经成为制作高精度空间反射镜的首选材料,在空间光学和电子学领域以及微结构模具加工方面具有极大的应用前景。碳化硅作为一种多相陶瓷,具有很高的硬度和脆性,是一种典型的难加工材料。如何实现对其表面的精密高效加工是一个亟待解决的难题。激光抛光技术是近几年才出现的一种新型表面加工技术。尤其对超短脉冲激光抛光,不仅加工效率高,而且抛光精度高、热影响区小,非常适合硬脆性材料的精密抛光加工。本文从抛光系统搭建、实验设计、实验实施到数据分析处理等方面,系统研究了飞秒激光抛光碳化硅材料的作用机理及加工工艺过程。采用飞秒激光（λ=800nm,f=1kHz）抛光碳化硅,通过激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜检测抛光表面形貌和表面粗糙度,分析激光脉冲能量密度、光斑重叠率（扫描速度、扫描跨度）、激光入射角等因素对飞秒激光抛光碳化硅工艺过程和抛光质量的影响。首先采用脉冲宽度50fs,重复频率1kHz的飞秒激光进行碳化硅烧蚀阈值实验,获得了飞秒激光下碳化硅的烧蚀阈值为0.23J/cm2,聚焦光斑束腰半径为31μm。使用扫描电子显微镜对烧蚀斑形貌进行观察分析,发现在能量高斯分布的激光光束辐照下,烧蚀斑由中心到边缘呈现不同的烧蚀形貌。烧蚀斑边缘出现规则的定向条纹状微结构,且伴随着颗粒状SiO2出现。其次在空气环境下采用不同的激光能量密度、光斑重叠率以及激光入射角对碳化硅进行了抛光实验。发现在其他参数不变时,在一定范围内,抛光后表面粗糙度随激光能量密度增加而减小;提高光斑重叠率以及增加激光入射角,均可以获得较小的表面粗糙度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 碳化硅表面精密加工技术
• 1.2.1 ELID磨削技术
• 1.2.2 离子束加工
• 1.2.3 等离子体抛光技术
• 1.2.4 磁流变抛光技术
• 1.3 飞秒激光抛光技术
• 1.4 激光抛光技术研究现状
• 1.5 本课题主要研究内容
• 第2章 飞秒激光抛光系统平台搭建
• 2.1 引言
• 2.2 抛光系统搭建
• 2.2.1 飞秒激光抛光系统组成分析
• 2.2.2 飞秒激光器
• 2.2.3 运动控制系统
• 2.2.4 光束传输与聚焦系统
• 2.2.5 成像单元
• 2.2.6 计算机与软件控制单元
• 2.3 本章小结
• 第3章 飞秒激光烧蚀阈值实验及材料去除机理分析
• 3.1 引言
• 3.2 碳化硅烧蚀阈值研究
• 3.2.1 烧蚀阈值实验方案设计
• 3.2.2 烧蚀阈值实验原理
• 3.2.3 实验试件制备
• 3.2.4 实验系统
• 3.2.5 实验设计
• 3.2.6 实验结果及分析
• 3.3 飞秒激光材料去除机理研究
• 3.3.1 实验设计
• 3.3.2 实验分析
• 3.4 材料去除机理分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 抛光工艺实验及抛光机理分析
• 4.1 引言
• 4.2 抛光实验方案设计
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验系统
• 4.2.3 抛光工艺参数选择
• 4.3 抛光实验分析
• 4.3.1 光斑重叠率对抛光效果的影响
• 4.3.2 入射激光功率对抛光效果的影响
• 4.3.3 激光入射角对抛光效果的影响
• 4.4 抛光机理分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢