納秒激光誘導(dǎo)若干金屬材料微結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用研究.pdf

1、自激光出現(xiàn)以來，利用激光進(jìn)行微細(xì)加工一直是該領(lǐng)域的研究熱點。納秒激光具有脈寬窄、功率大和高穩(wěn)定性等優(yōu)點，在微加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文主要開展了納秒級脈沖激光在若干金屬表面誘導(dǎo)和制作微結(jié)構(gòu)的研究，在理論上探討了誘導(dǎo)的物理機(jī)理，完成了相關(guān)的實驗和測試，并將該項技術(shù)應(yīng)用于背光模組導(dǎo)光板模仁和數(shù)字衍射光變圖像的制作，取得了產(chǎn)業(yè)化成果。 本論文研究內(nèi)容及主要成果歸納如下： 1．激光與材料的作用機(jī)理與過程非常復(fù)雜，可能會引發(fā)局部

2、加熱、燒蝕、光化學(xué)反應(yīng)、等離子激發(fā)等物理化學(xué)過程，非常有必要在理論上對納秒激光對材料的作用機(jī)理進(jìn)行研究。基于熱力學(xué)理論的熱效應(yīng)模型，本文對激光燒蝕金屬表面過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)納秒激光與金屬材料相互作用過程中的溫度場呈高斯型分布，并由此計算得到銅，鎳，鈦金屬材料的熱損傷閾值，進(jìn)而研究了熱損傷閾值、激光脈沖數(shù)目和刻蝕深度三個物理量的關(guān)系，損傷閾值與脈沖數(shù)目的關(guān)系符合反比關(guān)系，最后趨于常數(shù)；金屬的燒蝕深度與激光脈沖數(shù)目近似成平方根關(guān)系。

3、 2．納秒激光聚焦在金屬表面，能夠在金屬表面形成燒蝕痕跡，這是納秒激光微加工的直接原因。本文首先設(shè)計了紫外波段（波長為351nm）單光束在金屬表面燒蝕微結(jié)構(gòu)的實驗，得到了不同激光參數(shù)下金屬銅、鎳、鈦材料的損傷閾值。實驗結(jié)果表明，高激光能量可以燒蝕出深的凹坑結(jié)構(gòu)，凹坑深度的可由激光脈沖能量和脈沖數(shù)目控制。單光束實驗在微機(jī)械加工，精密打孔，激光打標(biāo)等方面具有很大的應(yīng)用前景。 3．單光束激光在金屬表面燒蝕微結(jié)構(gòu)的精細(xì)程度受瑞利判

4、據(jù)的限制，無法達(dá)到亞微米級的加工精度。雙光束干涉法能在一定程度上提高加工精度，得到更加精細(xì)的亞微米光柵結(jié)構(gòu)。本文開展了雙光束干涉方法在金屬銅、鎳和鈦表面刻蝕光柵的實驗研究，得到了亞微米量級線寬的光柵；對激光能量、脈沖數(shù)目、光束口徑等工藝參數(shù)對光柵形貌和衍射效率等的影響做了實驗研究。光柵槽深達(dá)到200～400nm、衍射效率可以達(dá)到14%，雙光束干涉法直接作用于金屬特別適合于制作數(shù)字衍射光變圖像。 4．導(dǎo)光板是平板顯示背光模組里的重

5、要組成元件，將點或線光源轉(zhuǎn)化成高亮度且均勻的面光源。傳統(tǒng)上制作導(dǎo)光板方法光能利用率較低，本文利用納秒激光在金屬鎳表面刻蝕的微錐形凹坑結(jié)構(gòu)，通過改變其直徑和深度，制作導(dǎo)光板模仁并結(jié)合微納米壓印技術(shù)，直接在PMMA或PC材質(zhì)上進(jìn)行壓印，制作出高均勻度和亮度的導(dǎo)光板。此制作工藝已用到手機(jī)按鍵導(dǎo)光膜制作。 5．在金屬表面雙光束干涉刻蝕光柵結(jié)構(gòu)，特別適合于制作數(shù)碼激光光變圖像模版。這種新方法可控制光柵的槽深在200～400 nm之間，提高