穩(wěn)定微射流水波層激光直刻凹印制版關鍵技術研究.pdf

1、20世紀90年代末,瑞士Bernold Richerzhagen博士結合傳統(tǒng)激光技術與水射流技術的優(yōu)點,發(fā)明微射流水波導激光技術。該項技術發(fā)明為微尺寸加工帶來一種優(yōu)良的新型加工方式。但目前該精細加工技術仍存在水波導激光刀頭光斑過大、分辨率偏低等缺點。因此,本論文致力研究壓縮微射流水波導激光束、提高加工分辨率的關鍵技術,著重研究了微射流水波導激光加工系統(tǒng)的刀頭,包括產(chǎn)生穩(wěn)定的傳導30μm水射流束、矩形水射流的條件、研制了相關光學耦合裝置,

2、并進行微射流水波導激光直刻凹印制版關鍵技術研究。
　　 本論文研究設計工作的主要創(chuàng)新點如下:
　　 (1)首次深入、系統(tǒng)研究了至今為止最小孔徑為30μm的射流噴嘴形成穩(wěn)定微射流水波導區(qū)及微射流水波導與激光束之間耦合等關鍵技術,并通過實驗驗證,獲得了長徑比大于10、直徑30μm穩(wěn)定微射流水波導區(qū)及激光光學裝置;滿足激光直刻凹印制版網(wǎng)穴分辨率要求,并申請了發(fā)明專利“旋轉可調(diào)水波導激光加工裝置”(申請?zhí)?20110191963

3、.0),“陣列式水波導激光加工裝置”(申請?zhí)?20110192794.2);
　　 (2)提出和開展了矩型微射流水波導激光加工系統(tǒng)研究,理論分析了影響矩型射流噴嘴形成穩(wěn)定微射流水波導的主要因素,獲得了形成穩(wěn)定矩型微射流水波導的重要技術參數(shù),研制了穩(wěn)定矩型微射流水波導激光加工裝置,并申請了發(fā)明專利“矩形水波導激光加工裝置”(申請?zhí)?201101192792.3);
　　 (3)基于流體連續(xù)性及動量守恒理論,建立了射流密度變

4、化與射流壓力、速度相關性物理模型,探索和掌握了水射流折射率變化規(guī)律,理論上解釋了激光于水波導傳輸中所出現(xiàn)的類似階躍光纖中傳輸?shù)奈锢憩F(xiàn)象;
　　 (4)應用激光波導理論研究了方形水射流波導激光傳輸特性,利用Matlab模擬了不同模數(shù)激光在邊長為30μm方形水射流中的波導傳輸情況;
　　 (5)嘗試進行了微射流水波導激光直刻凹印制版實驗研究,研究、解決網(wǎng)穴崩邊、提升邊緣直壁垂直度的問題,并對波長為1.06μm激光具有高反射率

5、、包含銅和鋅在內(nèi)的凹印制版材料的適印性進行了研究。研究結果表明,與目前傳統(tǒng)的激光直刻凹印制版技術相比,利用微射流水波導激光直刻凹印制版技術加工網(wǎng)穴質量有明顯改善和提高,在理論及技術上為微射流水波導激光直刻凹印制版機的研究提供了重要參考價值。
　　 本論文主要完成了以下研究工作:
　　 (1)微射流水波導激光加工所能達到加工精度同激光直刻凹版制版網(wǎng)穴的關系,設計并加工對應30μm微細噴嘴;
　　 (2)建立相關射流

6、數(shù)學物理模型并應用流體仿真工具Fluent研究30μm噴嘴射流靜壓下,不同壓強下對速度穩(wěn)定性影響之間的關系,并仿真研究不同壓力下、不同預壓縮角、沿程長對穩(wěn)定射流射程長度的影響,進行實驗;分析水射流流速變化引起水壓及密度變化;激光在射流中傳輸情況,測量激光于常規(guī)及矩形水射流分布,模擬30μm射流與矩形微射流流場,從理論上推導、仿真、實驗,以確定30μm噴嘴的預壓縮角、沿程、工作壓力設計合理的承壓腔體結構;
　　 (3)本文研究微射

7、流水波導中穩(wěn)定射流形成機理,利用光纖波導理論研究微射流中激光的全反射傳輸,進一步解釋激光在水束光纖中高效傳導,并結合矩形激光傳輸情況,分析了階躍水射流光纖激光的能量分布,從而得出一系列結論研究解釋了激光同去離子水射流的耦合條件和耦合效率的決定性因素:
　　 (4)進行相關的微射流水波導激光加工能量測試實驗,對比研究了矩形水波導中及水波導激光能量分布,得出激光同水射流導引耦合角度大小對于獲得高質量激光的高斯能量分布影響的結論,并進

8、一步實驗驗證;
　　 (5)利用ZEMAX設計加工激光光路透鏡,模擬相關耦合光路,進行像差分析,保證微射流水波導激光高效率耦合激光與水射流;
　　 (6)實驗雕刻鋅板及銅上相應網(wǎng)穴,且考察盲孔及邊緣質量:
　　 ①激光加工銅,鋅板的相關實驗及分析,分析水射流散熱提高加工網(wǎng)穴的要素,研究激光加工中水冷對于激光加工鋅的質量改善盲孔穴壁。
　　 ②針對印刷網(wǎng)穴的30μm級的精度要求,采用銅基,鋅板盲孔加工實驗驗