飞秒激光加工(毕业论文).docx

SHANDONG毕业设计说明书飞秒激光深孔加工理论与系统设计学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 王继刚 学 号： 1111011178 指导教师： 张彦斐 2015年 6 月摘 要飞秒激光加工以其独特的加工优势越来越受到人们的注意，近年来飞秒激光加工技术迅猛发展。本设计对飞秒激光深孔加工的理论和飞秒激光深孔加工系统进行了研究，主要研究内容如下：一、从飞秒激光加工原理角度出发，研究了飞秒激光加工的一般原理及其加工的优点。首先，对飞秒激光加工的理论基础和理论模型进行了研究，理论模型采用双温方程，对其进行了研究；其次，重点研究了飞秒激光加工的一般原理；最后，总结出了飞秒激光加工深孔的优势。二、采用有限元法对一维双温方程进行合理约化。现行比较盛行的对双温方程的简化几乎都是采用有限差分法，其理论基本已经相当成熟，考虑到现代计算机技术的飞速发展，本论文提出采用有限元法对双温方程进行合理约化，并采用matlab进行数值模拟。三、本设计在认真研究飞秒激光深孔加工理论的基础上，设计出了一种应用于飞秒激光深孔加工的加工平台。该平台与现行的加工平台有所不同，可以实现X、Y、Z三个方向的大行程移动和X、Y方向的微小移动，并将二自由度微定位平台应用于其中。关键词：飞秒激光，深孔加工，加工平台，系统设计- 46 -AbstractFemtosecond laser machining is becoming very popular because of its unique advantages in recent years，femtosecond laser processing technology developed rapidly.This design has studied femtosecond laser deep hole machining theory and femtosecond laser deep hole processing system , The main contention this dissertation are classified as follows.1. From the Angle of the femtosecond laser machining principle, the general principles of femtosecond laser machining and its processing advantages is studied.Firstly, On the basic theory of femtosecond laser machining and theoretical models are studied, the theoretical model is the double -temperature equation.Secondly, the general principles of femtosecond laser machining is mainly studied.Lastly, summarized the advantage of femtosecond laser deep-hole processing. 2. Using finite element method to simplify the one-dimensional double-temperature equation in a reasonable manner. The current relatively popular simplifying double-temperature equation are almost using the finite difference method, and its basic theory has been quite mature. Considering the rapid development of modern computer technology, this paper presents the finite element method about the double- temperature equation in a reasonable manner and numerical simulation with matlab.3. This design in earnest study of femtosecond laser theory on the basis of the deep hole processing, devised a application form of a second laser deep-hole processing platform. The platform are different from the existing processing platform, it can realize the X, Y, Z three directions of big trip and X, Y direction of the tiny movement, and it is applied to two degree of freedom micropositioning platform.Key words: Femtosecond laser; The deep-hole processing ; Processing platform; System design目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪 论- 1 -1.1 课题的研究背景及其目的意义- 1 -1.2 现代深孔加工的方法- 2 -1.2.1 现代深孔钻削技术- 2 -1.2.2 深孔的特种加工技术- 3 -1.2.3 SIED技术- 4 -1.3飞秒激光打孔的优点- 5 -1.4飞秒激光打孔技术在国内外的研究现状- 5 -1.4.1 飞秒激光加工技术的发展- 5 -1.4.2 飞秒激光孔加工技术的研究现状- 7 -1.5飞秒激光加工系统概况- 8 -1.6本课题的研究内容- 10 -第二章 飞秒激光加工的理论基础与理论模型- 11 -2.1 飞秒激光加工的理论基础- 11 -2.1.1 飞秒激光加工金属的一般机理- 11 -2.1.2 飞秒激光加工的主要理论- 12 -2.2 飞秒激光加工的理论模型- 13 -2.3 本章小结- 14 -第三章 飞秒激光与金属材料相互作用时有限元数值模拟- 15 -3.1 模型的建立- 15 -3.1 1适用于飞秒激光的双温方程- 15 -3.1.2 模拟参数- 15 -3.1.3 有限元法计算- 15 -3.1.4 计算结果与分析- 21 -3.2 本章小结- 23 -第四章 飞秒激光深孔加工研究- 24 -4.1 飞秒激光深孔零件加工工艺特点及基准选择- 24 -4.1.1 飞秒激光深孔零件的加工工艺特点- 24 -4.1.1 飞秒激光深孔零件加工的基准选择- 24 -4.2 影响深孔圆度的参数- 24 -4.3 影响深孔深度的参数- 26 -4.4 本章小结- 26 -第五章 飞秒激光深孔加工系统设计- 28 -5.1 飞秒激光器- 28 -5.2 飞秒激光深孔加工系统的主要组成- 30 -5.2.1 偏振片- 30 -5.2.2 波片- 31 -5.2.3 衰减片- 32 -5.2.4 物镜- 33 -5.2.5 CCD图像传感器- 33 -5.3 飞秒激光深孔加工平台总体设计与工作原理- 34 -5.3.1 飞秒激光深孔加工平台的总体设计- 34 -5.3.2 飞秒激光深孔加工平台的工作原理- 36 -5.4 delta机构设计- 36 -5.4.1 动平台的结构设计- 36 -5.4.2 上、下连杆的结构设计- 37 -5.4.2 带轮座的结构设计- 39 -5.5 二自由度微定位平台设计- 40 -5.6 本章小结- 42 -第六章 结论- 43 -参考文献- 44 -致 谢- 46 -第一章 绪 论1.1 课题的研究背景及其目的意义，不论从机械装备品的发展还是从深孔加工技术的现有水平来看，深孔加工技术都还处于新兴发展阶段。20世纪末期，随着微电子技术、计算机技术和信息技术出现，其意思很明显，就是已经没有什么发展前途的东西，包括深孔加工技术在内的制造技术则视为被。20世纪80年代，美国制造业面临着发展中国家的严峻挑战，为了增强自身的竞争力和促进其国民经济的快速增长，。20世纪90年代，这一概念被引入中国，从此先进制造技术在我国得以迅速发展。深孔加工技术作为制造技术的一个分支，有强烈的应用技术属性。1960年美国物理学家，自此激光技术得到了迅速发展，激光加工技术了得到了广泛的发展。1995年以来，飞秒激光作为一种新兴激光开始应用于材料加工领域，飞秒激光打孔技术也逐渐开始发展，但是当前飞秒激光打孔技术还没有应用于深孔加工，因此，利用飞秒激光进行深孔加工具有很大的研究价值和意义。飞秒（femtosecond）也可以叫毫微微秒，简称，它是衡量时间长短的一种计量单位。，即秒。光在一飞秒内也只能走不到一微米的距离，这相当于不到一根头发丝的百分之一。飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，飞秒激光具有以下特点：1、，它精确度可以达到 5 微米;2、，要比目前全世界的发电总功率还要多出上百倍以上;3、飞秒激光能够聚焦到比头发的直径还要小的多的超细微空间区域;具有精确的靶向聚焦定位特点，物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，气态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变成等离子体。本设计对一维双温方程进行合理约化，采用有限元法，通过数值模拟分析对材料表面烧蚀温度场进行一维数值模拟，在此基础上研究了飞秒激光深孔加工的理论，并将2自由度微定位平台应用到飞秒激光加工系统中，设计出一种全新的飞秒激光深孔加工系统 。1.2 现代深孔加工的方法孔加工主要有深孔加工和浅孔加工两类，通常规定孔深L与孔径d之比大于5，即的孔称为深孔，的孔称为浅孔。深孔加工技术的产生在于枪炮管的制造过程。第二次世界大战之前的几个世纪中，深孔加工技术的发展和应用一直都被局限在军工领域，并且以其难度高、成本高和神秘性而闻名于制造业领域。传统的深孔加工几乎都以刀具加工为主，到20世纪末期随着激光技术的发展才逐步有了激光打孔技术，现代的深孔加工方法主要有：现代深孔钻削技术、深孔的特种加工技术和单管内排屑深孔喷吸加工技术（SIED技术）。1.2.1 现代深孔钻削技术现代深孔钻削技术包括实体深孔钻头从实体材料上钻出深孔的相关技术、用套料钻从实体材料上钻出深孔的相关技术与用深孔扩钻将已有的铸孔进行加工。以上三项中实体钻削占主导地位，因为贯穿于深孔加工技术的三大难题（连续自动排屑、刀具自导向、自动冷却润滑）在深孔实体钻削中的体现最为突出。当前国际通用的深孔钻削技术主要有以下三种：1、枪钻技术，从的深孔加工。在公差和表面粗糙度要求严格的深孔加工中，枪钻技术可以保证孔的尺寸精度、位置精度和直线度。2、单管内排屑深孔钻削技术单管内排屑深孔钻产生于枪钻之后，枪钻的发明使深孔加工中自动冷却润滑排屑和自导向问题获得了很好的解决，但由于存在钻头与钻杆难于快速拆装更换和钻杆刚度不够，进给量受到严格限制等缺陷，而不适用于较大直径深孔的加工。3、基于BAT刀具的喷吸钻加工技术BAT刀具由于加工时要求严格的密封，只能使用专用的深孔钻床。由于专用深孔钻床造价高，从而限制了BAT技术的推广应用。20世纪60年代初期，在先进深孔技术普遍应用于民用装备制造业的历史背景下，SANDVIK公司推出了一种基于刀具的双管喷吸钻。这种刀具系统不需要严格的输油器，对机床结构要求也比较简单。此后双管喷吸钻逐渐成为SANDVIK公司的主要深孔加工装备产品。20世纪70年代中期，日本冶金公司推出了一种结构上比双管喷吸钻更为简单的双向供油（Double Feeder）喷吸钻系统。其抽屑机理与双管喷吸钻相同，但只需要在单层BAT钻杆后部增加一套简单的抽屑器，这种被称为单管喷吸系统的改进型深孔加工技术。由于以上两种喷吸钻加工技术各有其局限性，总的来说，它们始终未能全面取代BAT钻削技术，只不过在不同程度上对BAT技术做了一些补充。1.2.2 深孔的特种加工技术特种加工技术室20世纪制造技术发展的一个充满活力的新领域，最早产生于航空、航天特种材料和特种技术需要，其中的不少成果已经用于深孔加工。当前按照加工所用能源和作用原理，特种加工技术应用于深孔加工的方法主要分为：1、电火花加工（Electric Discharge Machining） ，之后随着脉冲电源和控制系统的改进，电火花加工技术得到迅速发展起来。电火花加工的工作原理是：，同时浸入到工作液体当中。通过间隙自动控制系统控制工件电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定要求时，两电极上施加的脉冲电压就会将工作液体击穿，产生火花放电。，压力也急剧的变化，从而使这一点工作表面局部微量的材料立刻熔化和气化，并且爆炸式地飞溅到工作液体当中，快速冷凝，形成固体的金属微粒，之后被工作液带走。，两电极间工作液体便恢复绝缘状态。，产生火花放电，重复上面过程。这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量很少，但由于每秒，具有一定的生产率。在保，一边使工具电极不断地向工件进给，。所以，只要改变工件电极的形状和工件电极与工件之间的相对运动形式，便能加工出各种复杂的型面。2、电解加工(Electrochemical Machining)。加工时，工件接直流电源的正极，工具接负极，使两极间形成了导电通路，。随着工具相对工件不断进给，解液冲走，工件表面形成了与工具工作面基本相似的形状。电解加工的优点在于加工范围广、生产效率高、加工质量好、工具阴极无损耗，、小批量生产成本很高等等。3、电解磨削(Electrolytic Grinding)。工件作为阳极与直流电源的正极相连；导电磨轮作为阴极与直流电源的负极相连。4、超声加工(Ultrasonic Machining)，通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的捶击作用，方法。其主要工作原理：的超声频电振荡，再通过变幅杆使固定在变幅杆端部的工具振产生超声波振动，促使磨料悬浮液高速地不断撞击、抛磨被加工表面从而使工件成型21。5.激光加工(Laser Processing)。激光热加工是指激光。激光光化学反应加工时借助于高密度的高能光子引发或控制光化学反应的各种加工过程。1.2.3 SIED技术SIED技术是一种采用抽屑器、单层空心刀杆和内排屑为共有特点，钻、铰、镗、桁磨均可在同类机床上完成的“单管内排屑深孔喷吸加工技术”，由于其英文名称缩写为SIED，故命名为SIED技术。SIED技术从20世纪80年代初开始，前后经历20多年。期间，结合多项部、省级重大深孔加工技术研究课题，90年代初期开始生产应用。 SIED技术的特点主要有：（1）以内排屑深孔钻为基本结构，具有优异抽屑功能的抽屑器；（2）可用于不同直径深孔的单管内排屑喷吸钻；（3）具有与之配套的单管内排屑喷吸式深孔扩钻、套料钻和精加工刀具系列。1.3飞秒激光打孔的优点飞秒激光脉冲具有独特的光束特性，因此它是激光微细加工中最优秀的工具。飞秒激光加工可以实现小于焦点光斑尺寸的精度加工,飞秒激光脉冲在微孔加工中具有独特的加工优势15，表现在： 1、飞秒激光加工的材料组织中没有熔融区,。这是飞秒加工的独特之处。避免了热熔化现象的存在,基本实现了相对意义上的负面影响。2、飞秒激光加工精度高,不受光衍射极限的限制,具有相当高的空间分辨性。3、飞秒激光加工对材料属性没有要求,可以对任何材料进行精细加工、修复和处理。4、飞秒激光加工需要的脉冲能量阀值很低,通常只有毫焦耳量级,这就决定了激光加工能量的低耗性。5、。1.4飞秒激光打孔技术在国内外的研究现状1.4.1 飞秒激光加工技术的发展从1995年开始飞秒激光开始应用于材料加工领域，加工材料主要是金属、半导体等，最初主要是实验研究，针对飞秒激光加工机理的研究，比较有代表性的是美国Michigan大学超快光学科技中心的G.Mourou教授的研究小组，该小组多年来一直从事飞秒激光器的研究，在后来也开始了飞秒激光烧蚀的研究。经过多年的研究于1997年系统阐述了超短脉冲激光与材料的作用机理30：对于金属材料，由于材料自由电子数较多，因此，吸收脉冲能量主要靠离子雪崩来实现；对带隙比较宽的电介质材料而言，其材料吸收飞秒激光能量，通过线性和非线性过程完成的，材料不相同，就具有不同的吸收机理；吸收过程依赖于光的强度，对于给定的激光能量，则与激光的脉宽有很大相关性。以透明电介质为例，价带边电子具有一个比激光光子能量还高的离子势能或带隙，光强度低时，价带边电子便不吸收激光。对飞秒脉冲激光与物质相互作用的情况，由于其激光场强相当高，透明材料的价带边电子通过多光子过程可以直接被电离，从而使材料具有吸收特性。在激光脉冲中，通过同时吸收 m 个光子使得 （其中，为光子能量，为离子势能或带隙），一个价带边电子的能量从它的价带边能量水平或价带被提升到自由电子能量水平，这就是所谓的多光子电离过程。这是一个 m 阶过程，其穿透界面很小。所以对于飞秒激光脉冲，多光子电离起着重要作用26。随着飞秒激光技术的日益成熟,从20世纪90年代到现在,飞秒激光的应用和加工工艺的研究得到各国科学家的极大关注,如飞秒激光加工金属、玻璃、半导体、陶瓷、金刚石以及聚合物等各种材料的工艺应用。对于飞秒激光金属加工工艺而言,由于一般金属具有高导热性和低怀点温度的特性,难以用传统加工方式加工出高精度微结构以及高质量的钻孔和切割。而飞秒激光具有峰值功率高,热影响区小等优点,因此利用飞秒激光加工金属微结构以及对金属进行高精度钻孔和切割等工艺得到广泛的研究和应用。2003年,德国汉诺威激光中心学者G. Kamlage团队利用飞秒激光在1mm厚不诱钢板上加工出高质量的通孔如图1-1所示,并指出高能量飞秒激光是加工高质量金属深孔的实用工具11。图1-1 飞秒激光加工的高质量微孔2003 年 Rizvi N H 总结了飞秒激光对金属、玻璃、金刚石、各种聚合物、陶瓷等材料的微加工进展情况从各个方面证实了飞秒激光是一种优秀的微加工光源2 。2004年,JH Klein-Wide等人采用紫外飞秒激光在各种材料上加工亚微米级微结构,其中图1-2为利用多光束干涉技术在钦箱上同时加工出大量微孔的微结构图案2。图1-2 飞秒激光干涉法加工的微孔当前飞秒激光孔加工仍然是研究的热门，且主要针对改善加工工艺参数和加工条件对不同材料进行加工,提高加工精度和加工效率,但对深孔加工的研究相对较少，因此本文将致力于研究飞秒激光对材料深孔的加工。1.4.2 飞秒激光孔加工技术的研究现状在世界范围内，欧洲、美国、日本仔飞秒激光孔加工领域任处于领先地位，尤其以德国和美国为主，1996年Chichkov在德国汉诺威激光中心实验室利用不同的激光束对薄钢片进行烧蚀的打孔实验，实验结果表明利用纳秒、皮秒脉冲激光打孔的过程不稳定，液化和汽化同时发生，孔周围有液体溅射的痕迹。飞秒脉冲加工的孔则没有熔化迹象，孔周围只有环形蒸汽的痕迹，加工的面平整光滑。2003年汉诺威激光中心实验室又进行针对金属板的打孔实验，小组采用150fs的激光在厚度为1mm的钢板上进打孔，实验结果显示了飞秒激光加工可以的到很好的微加工质量22。美国在飞秒激光微孔加工领域的成果也相当丰富，许多研究机构在早期就开始了飞秒激光相关的研究，哈佛大学、Clark公司、密西根大学等都进行了此方面的研究。其中以密西根大学超快学科技中心最具有代表性，该中心的G.Mourou小组在20世纪90年代就开始了这方面的研究42。图1-3 纳米复印的英格兰和马的图形2005年，韩国Lim研究团队利用纳米复印印刷技术制造出了二维马的造型和英格兰的地形11，如图1-3所示。国内吉林大学、天津大学、哈尔滨工业大学、中国科学技术大学、华中科技大学、西安交通大学等都对超短脉冲激光微加工技术有研究。2004年中国科技大学袁大军等人利用双光子聚合加工在树脂材料上制出了纳米级的齿轮。华中科技大学王新林等人用飞秒激光制作了微型悬臂梁40。这也是我国研究飞秒激光加工取得的最新成就。中科院理化技术研究所的段宣明等人基于飞秒激光微加工技术，使用段-段扫描方式加工出直径 10m 的二维图标。总的来说，自21世纪初期国内外对飞秒激光加工技术的研究取得了丰硕的成果，这对以后进行更加深入的研究奠定了重要的基础。就当前来说飞秒激光应用于深孔加工的技术还比较落后，国内天津大学曾研究过飞秒激光深孔加工，并做实验得出了一些结论，国外虽然也有初步的研究，但还远远不够，还需继续研究。1.5飞秒激光加工系统概况飞秒激光加工技术发展的前提在于飞秒激光加工系统的发展，目前用的比较广泛的激光加工设备主要是激光焊接、激光切割等比较传统的设备，由于飞秒激光微加工技术刚刚起步，成型的飞秒激光微加工系统十分少见，目前在发达国家存在少量的超短脉冲微结构系统，最典型性的包括德国的 Kugler、LZH、Laser2000，美国的 Oxford Lasers、Clark-MXR、Qurntronix以及日本的Cyber Laser和TII21。这些设备集智能化、数控化、高精密性、高稳定性等高端技术于一体，体现了超短脉冲激光微加工技术的最新发展。但这些设备一般价格都十分昂贵，而且可能会出现个别参数不能满足特定实验要求的情况。图1-4 美国弗罗里大大学的三维微激光系统美国弗罗里达中央大学光学学院研制的CAD集成自动化多光子三维微加工系统41 如图 1-4 所示，该系统将平移台安装在显微镜样件台上，使聚焦和观测系统成为一体，便于实时观测，但这种方式使平移台的行程受到限制，因此该系统所能加工的微结构的尺寸也是有限的。英国曼彻斯特大学机械学院研制了脉冲激光微加工系统，系统结构如图1-5所示41，整个系统由三维数控运动平台、激光传输装置、激光器和控制系统构成。工件位于工作台上静止不动，三维运动平台带动光纤输出探头运动，使激光在工件表面加工出结构。图1-5 美国曼彻斯特大学微加工系统 图1-6 天津大学搭建的微加工系统国内来说，天津大学也设计了一套超短脉冲激光微加工系统，系统由二维运动平台实现加工，通过FPGA和DSP技术实现对系统控制。该系统还具有辅助气体和CCD摄像组件构成的辅助系统。图1-6为天津大学所搭建的实物图。整个系统结构和组成都比较完整，但由于运动平台是二维的，因此只能在平面上加工，并且平台的精度为微米级，相对国外来说精度较低。1.6本课题的研究内容飞秒激光深孔加工是一个相对复杂的过程，对其加工理论的研究需要大量的理论计算和数值模拟。本论文对一维双温方程进行合理约化，采用有限元法对其进行数值模拟，在此基础上设计出了一种全新的飞秒激光深孔加工平台，主要研究内容如下：（1）从飞秒激光加工原理角度出发，分析和研究了飞秒激光加工的一般原理及其加工的优点。对飞秒激光加工的理论基础和理论模型进行了研究，理论模型采用双温方程，对其进行了研究，重点研究了飞秒激光加工的一般原理，总结出了飞秒激光加工深孔的优势。（2）采用有限元法对一维双温方程进行合理约化。现行比较盛行的对双温方程的简化几乎都是采用有限差分法，其理论基本已经相当成熟，考虑到现代计算机技术的飞速发展，本论文提出采用有限元法对双温方程进行合理约化，并采用matlab进行数值模拟。（3）本设计在认真研究飞秒激光深孔加工理论的基础上，设计出了一种应用于飞秒激光深孔加工的加工平台。该平台与现行的加工平台有所不同，可以实现X、Y、Z三个方向的大行程移动和X、Y方向的微小移动，并将二自由度微定位平台应用于其中。第二章 飞秒激光加工的理论基础与理论模型2.1 飞秒激光加工的理论基础2.1.1 飞秒激光加工金属的一般机理飞秒激光与金属材料相互作用的过程是十分复杂的，由于时间和空间的不同，飞秒激光能量分布对金属材料的作用结果不同，最终完成材料的去除。表现为处于平衡态的电子通过吸收光子达到激发态的受激过程，电子对光子的吸收是一个相对比较复杂的非线性过程，当激光强度在时，金属材料中的电子将同时吸收东哥光子获得电离；当激光强度在时，电子通过隧道效应获得电离；当激光强度大于时，强场势能使电子从院子束缚中直接逃逸。图2-1 受激发电子的弛豫过程 如图2-1所示，金属材料在内电子由于散射作用出现准热平衡状态；在内，准热平衡状态的电子开始向外辐射声子，通过声子将热量传递给晶格，这一过程称为电子-声子耦合；电子经过的弛豫时间后，最终达到热平衡状态，之后，热量通过电子漂移和晶格-晶格耦合作用向金属材料周围扩散。当金属材料吸收的能量达到材料熔点温度后，金属材料将发生固态到液态的转变。，分为非热熔过程和热熔过程。当飞秒激光脉冲入射到材料表面时，材料吸收光子所产生的能量将在仅有，远远高于金属材料的熔化、气化温度，实现了激光的非热熔性加工。2.1.2 飞秒激光加工的主要理论就当前来说，研究飞秒激光加工的比较权威的理论主要有两种，那就是烧蚀阀值理论与液相爆破理论。1、 烧蚀阀值理论飞秒激光照射到工件表面上时，采用多脉冲激光比采用单脉冲激光需要更低的能量阀值3。飞秒激光少烧蚀金属材料时，只有达到金属材料的烧蚀阀值时材料才会被破坏，如果降低飞秒激光的能量，则烧蚀就会在很小的区域内进行。2、 液相爆破理论液相爆破理论是最先由Martynyuk等人提出的，他们认为液相爆破理论是飞秒激光取出材料最合理的机理3。图2-2给出了金属材料在临界温度时的压力与温度图，由图可以看出，在正常的液相气相转变过程中，处于平衡状态。该理论认为，在飞秒激光的作用下，金属材料表面的温度增加很快，有可能使液态金属的温度超过气液平衡温度，液态金属进入过热状态，此时材料便会以液体和蒸汽滴的形式喷射，最终产生液相爆破。图2-2 材料在临界温度时的压力和温度图2.2 飞秒激光加工的理论模型飞秒激光加工的理论模型主要是双温方程，本章只对一维双温方程进行介绍。双温模型是由苏联学者S.I.Anisimov 于1974年提出的，用以描述超短脉冲激光与金属作用5。一维双温方程如下： （2-1） （2-2）其中，代表源项，； 电子的比热；-电子的比热；k电子热传导率；-电子温度；-晶格温度；g电子和晶格的耦合系数；-材料吸收系数；-飞秒激光的能量密度。在飞秒领域内对上式进行简化，令,则式（2-1）可化为 （2-3）若考虑电子热传导率受温度的影响，,是常数，则式（2-3）的解为 （2-4）当脉冲结束时，电子温度为 （2-5）该式中，为激光能量， ,为趋肤深度，。晶格温度 （2-6）2.3 本章小结阐述了飞秒激光加工的一般原理、理论基础和理论模型，探讨了飞秒激光与材料的作用机理。对飞秒激光加工理论的基础进行了介绍，说明了飞秒激光加工的理论模型双温模型，并在飞秒脉宽下简化了双温方程。第三章 飞秒激光与金属材料相互作用时有限元数值模拟3.1 模型的建立本模型首先应该考虑金属材料相对烧蚀层为无限厚，横向无穷大的情况下，加工材料受超短超强脉冲热源扰动情形。3.1 1适用于飞秒激光的双温方程本模型采用平顶激光，作为光源项，其中为功率密度，单脉冲激光能量为14.14nJ，聚焦光斑半径，飞秒量级脉冲间隔内，热传导过程显得十分缓慢,双温方程中热传导项就可以忽略,从而描述飞秒激光与金属材料相互作用的双温方程应约化为： （3-1） （3-2）其中、为电子和晶格的比热，、为电子和晶格的温度，k为电子热导率，g为电子和晶格的耦合系数，为光源项。3.1.2 模拟参数烧蚀材料为金属铜，模拟采用的数据如下：电子比热,晶格比热，,材料的吸收系数和表面反射率为，铜膜厚度500nm，保证单脉冲激光束的能量不能透过铜膜层，表面使用绝热条件，底部温度设为室温300K，飞秒激光脉冲宽度分别选为50fs、100fs、300fs和1ps，取金属材料表面激光束辐照中心点计算其电子与晶格温度变化。3.1.3 有限元法计算采用有限元法对双温方程进行数值求解运算，首先把上述微分方程转化为积分方程，具体来讲，将微分方程（3-1）、（3-2）两边移向，得 （3-3） （3-4）这是刚性微分方程，式（3-3）、（3-4）两边同乘v，得 （3-5） （3-6）进一步用分部积分公式 （3-7）其中 同理 （3-8）其中 从而 （3-9） （3-10）引入泛函算子则（3-9）、（3-10）可化为 （3-11） （3-12）（3-11）、（3-12）即为其积分形式。考虑边界条件，v应满足故于是（3-11）、（3-12）化简为 （3-13） （3-14）(一)单元剖分对作任意剖分 得到单元 且 （二）构造单元插值函数在上构造线性插值函数、使得引进变换将化为标准单元。如图3-1所示，在一个单元内，需要为两个节点构造线性内差式，作使 使 （3-15） (3-16) (3-17) (3-18)这就是构造的单元插值函数。图3-1 、图（三）有限元方程的形成由于 （3-19） (3-20) (3-21)其中，同理可求得其中，以上积分计算均在标准单元上，因此在具体计算时，对每个单元只需更改参数、即可，这两个参数可由剖分直接得到。（3-21）、（3-22）简写为 （3-23） （3-24）其中，且、均为三对角矩阵在这里，为单元刚度矩阵，为总刚度矩阵，在每一个单元上建一个单元刚度矩阵，然后，将各单元刚度矩阵叠加成总刚度矩阵。根据边界条件，应删去第1行第1列，再删去第n行第n列从而将修改为；删去第1行和第n列的分量，将其修改为B（这里A、B分别指的是、和、）。最后，这就是最终计算出的有限元方程。接下来只需解此线性方程组即可，具体计算过程本论文不再加以叙述。3.1.4 计算结果与分析本论文最终模拟的结果见图3-3，该图显示了当采用脉冲宽度分别为50fs、100fs、300fs、1ps和3ps时的电子和晶格温度的变化关系。图3-2是采用有限差分法计算模拟出的电子和晶格的温度变化关系1，比较两个图可以发现，采用有限元法模拟出的图像与采用有限差分法模拟出的图像基本符合，这也证明了本论文计算的正确性，唯一不足之处在于本文在计算时划分单元有点过少造成图线不光滑（每条图线共计算出52个点）。本文的计算结果再次证明了完全可以采用有限元法来得到双温方程的数值解，如果计算过程更加详细，得到的计算结果会更精确，图线也就更加光滑。图3-2 有限差分法模拟出的电子温度变化关系图3-3有限元法模拟出的电子温度变化关系本文采用的飞秒激光器的脉冲宽度是300fs，图3-4给出了脉宽是300fs时电子和晶格的温度变化关系,该图是在经过大量计算一些点后作出的（共计算出了110个点），故该图要比图3-3光滑很多。从图可知，电子温度从300K逐渐增加当达到最大值3600K时开始下降，最终回到500K，而晶格温度正好相反，从300K逐渐增加到500K，最后电子和晶格温度趋于相同。图3-4脉宽是300fs时电子和晶格变化关系3.2 本章小结本章采用有限元法对双温方程进行了数值模拟，给出了详细的简化计算步骤，得出了数值模拟结果，模拟材料选用单晶铜，与有限差分法模拟的结果进行对比分析，证明了其计算结果的正确性，同时也证明了可以采用有限元法来简化双温方程。第四章 飞秒激光深孔加工研究4.1 飞秒激光深孔零件加工工艺特点及基准选择4.1.1 飞秒激光深孔零件的加工工艺特点飞秒激光深孔零件加工与一般的零件相比，主要有以下工艺特点：1、深孔零件内表面的加工是在半封闭状态下进行的，操作者无法直接观察到加工的过程，只能通过间接方法观测，而且加工空间小，热量传播比较困难； 2、深孔零件的加工质量要求较高，尺寸精度一般在IT6-IT12范围内，形位精度及材料表面机械性能要求也比较高； 3、加工路程长，会带来很多其他方面的影响。4.1.1 飞秒激光深孔零件加工的基准选择要加工一个高质量的深孔，选择基准是关键。就一般来说，零件的孔心线、轴心线是加工深孔的主要基准，但是具体采用孔心线还是轴心线得看具体情况，不同的零件所选基准就不相同。孔心线又内孔表面来体现，轴心线由外圆柱表面体现，深孔加工的基准按以下原则来选择。（1）被加工零件是实心的。这种情况下必须选择轴心线为基准，安装工件时按外圆找正装夹的，所以轴心线就是加工的定位基准。（2）工件矫正基准的选择。这种情况选外圆的轴心线为基准比较合理。（3）台阶孔的基准选择。深孔台阶的基准选择要求比较严格，各阶梯之间必须保证同轴度要求。具体加工时先加工出一个基准孔，再用该基准孔的内表面定位，加工另一个孔。4.2 影响深孔圆度的参数本论文的研究仅限于理论分析和软件模拟，由于实际情况限制没有做实验研究，以下得到的结论均为理论分析和软件模拟所得，很可能和实际情况有所出入，特此声明。飞秒激光加工深孔时由于光路、非线性效应等的影响，加工出的孔并不是很圆的孔，在具体分析前我们先大概假定一些可能影响深孔加工的参数：激光能量、脉冲数目、离焦量。目前评定圆度误差的方法有很多，本文采用最小区域法评定，如图4-1所示，就是采用最小区域法评定圆度误差的方法，也就是用绘图软件来拟合出微孔的实际轮廓，并画出两个同心圆包容该轮廓线，从而两个同心圆之间的半径差即为圆度误差。图4-1 最小区域法图4-2 不同激光脉冲加工的孔形貌图4-2是采用不同脉冲的飞秒激光所打孔的形貌图，从图可以知道，脉冲数比较少时,微孔圆度比较好,激光脉冲数逐渐增多时,微孔圆度明显变差，故激光脉冲数目是影响圆度的参数之一。图4-3是中南大学采用不同单脉冲能量飞秒激光加工金属铂时所得到的图3,从图可以看出，单脉冲激光能量越低圆度误差越小，故单脉冲激光能量也是影响微孔圆度的参数之一。,图4-3 不同单脉冲能量对微孔圆度的影响4.3 影响深孔深度的参数众所周知，飞秒激光加工微孔的深度一般都比较深，本论文研究的深孔要比一般飞秒激光加工的孔要深，深孔加工难度特别大，主要表现在：（1）深孔测试和检测困难比较大；（2）一般的测量仪器只能测试较浅的孔；（3）随着孔深的增加，孔壁面积越来越大，孔壁对激光能量的吸收和扩散将非常大，使得孔底部的激光能量降低；（4）飞秒激光加工是利用光的聚焦特性来加工的，这就决定了光束不能无限制的进入深孔，这也是飞秒激光加工深孔的最大局限性所在。在经过大量的资料研究分析和理论推导可知，影响深孔加工的主要参数是单脉冲能量和离焦量。随着单脉冲能量的增加，微孔加工的深孔越来越大，但并不是完全程线性的增加，激光能量达到200uJ时，孔深就不随能量二增加了；对于不同的离焦量，很明显焦点处的孔深最深。4.4 本章小结本章在大量研究的基础上，从理论分析角度出发，分析出了影响飞秒激光深孔加工的主要参数，对飞秒激光深孔加工零件的基准选择、加工工艺以及影响深孔加工圆度和深度的参数进行了研究。第五章 飞秒激光深孔加工系统设计飞秒激光深孔加工系统主要包括飞秒激光器、导光系统、加工平台（含微动平台）、控制系统以及检测系统。本章在研究飞秒激光深孔加工原理的基础上，提出了飞秒激光深孔加工系统的总体设计方案，并具体设计了飞秒激光深孔加工平台。飞秒激光深孔加工系统原理图如图5-1所示，飞秒激光器发出飞秒激光，经过先偏振、四分之一波片、衰减片、关闸控制等一系列镜片进行光处理后到达分色镜，通过CCD检测调节使飞秒激光经聚焦物镜后聚焦到所要加工的工件上，再通过控制工件进行移动实现深孔加工。下面将详细介绍各组成部分。图5-1 飞秒激光深孔加工系统原理图5.1 飞秒激光器飞秒激光器的发明使人类能够观察到更小的物质世界，也使人类观察原子的相对运动时间成为可能。在近二十年来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器，加上后来的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，脉冲宽度和能量的记录在不断的刷新记录，但最大的进展莫过于获得了超飞秒脉冲。飞秒激飞秒激光器的主要特点是超高速和超强电场。飞秒激光脉冲的峰值功率相当高，一旦将飞秒激光激光聚焦到很小的范围内就有可能无热影响地照射材料并使其直接发生电离，从而产生强大的电场和磁场。飞秒激光照射在金属材料上时，金属材料对光子的吸收机理与普通激光加工时的光子吸收机理是不同的。在普通激光加工当中，能量低时光子不被吸收，而飞秒激光的光子密度很大，即使是单光子的能量比吸收光谱的能量小也可能被金属材料吸收。飞秒激光加工通过聚光透镜的聚光点产生多光子吸收，从而实现对金属材料内部的加工。而且飞秒激光照射时不会产生热变形和热变质等损伤，也不会对随温度升高而产生物理变化的半导体材料、脆性材料造成损伤，并可实现高精密加工。目前，飞秒激光器主要有四大类型：（1） 由有机染料为介质的飞秒染料激光器。不同的染料可以输出不同波长的飞秒激光脉冲，它覆盖了从紫外线到红外线的波段，主要是红光波段。由于固体、半导体、光纤飞秒激光器的出现，该种激光器在红外和紫外波段已经不再使用了，但在可见波段仍然广泛地应用于时间辨光谱、半导体载流子快速弛豫过程以及化学反应动力学过程等相关的研究。（2） 以掺钛蓝宝石、掺镁橄榄石等固体材料为介质的飞秒固体激光器。这种固体材料的调谐范围比染料宽很多，并且固体材料具有比其他材料更稳定的光学性质和更紧凑的结构，所以飞秒固体激光器在比较短的时间里就发展成为了飞秒激光器的主体。（3） 以多量子阱材料为代表的飞秒半导体激光器。半导体激光器的研究经历了很长的时间，一直到将多量子阱材料引入后才跨越了皮秒级，此后才得到了快速的发展。（4） 以掺杂稀土元素的为增益介质的飞秒光纤激光器。其主要特点是结构紧凑、小旅馆、损耗低，适用于光通信，特别适用于孤子传输的研究。本系统采用飞秒激光器是美国raytum corp公司生产的激光器，如图5-2所示，其基本参数见表5-1。图5-2本系统所采用的飞秒激光器表5-1飞秒激光器的性能参数中心波长重复频率，可调脉冲宽度300fs最大脉冲能量平均功率能量稳定性（8小时）光斑空间模式5.2 飞秒激光深孔加工系统的主要组成5.2.1 偏振片首先，介绍一下偏振的概念，光振动方向对于传播方向的不对称性就称为偏振，可以这么说，。所谓光的失去对称性的现象。在垂直于光传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，平均说来任何一个方向上都具有相同的振幅，（非偏振光）。而其振动失去这种对称性的光统称为偏振光。偏振光可以分为14：1、线偏振光在光的传播过程中，如果一种光只包含有一种振动，其振动方向始终保持在光的偏振同一平面内，这种光就称为线偏振光。不妨通过一个实验来想象这是一种什么景象：你把一根绳子的一头拴在树上，另一头拿在你手里。假定绳子是从篱笆的两根竹子的正当中穿过去的。若你现在拿绳子上下摇动，绳子便产生的波就会从两根竹子之间通过，并且从你的手传到那棵树上。此时，那座篱笆对你的波来说就是透明的了。但是，如果你让绳子左右波动，绳子就会撞在两根竹子上，波就不能通过这个篱笆了，这时这座篱笆就相当于一个起偏振器件。2、部分偏振光，在两个互相垂直的，这种就可以光称为部分偏振光。实际上自然光和。，