[发明专利]一种纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测方法

摘要

本发明一种纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测方法属于特种加工领域，涉及一种基于工艺参数可行域的纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测方法。该方法基于纳秒级脉冲激光加工复杂图案靶材表面能量动态分布模型，求解靶材表面能量密度值。并根据靶材‑激光间反应机理，依托能量守恒定律和热力学规律，建立激光烧蚀深度预测模型，预测激光烧蚀微槽深度。在机床动态性能与激光器光学性能约束下，求解保证材料去除的加工参数约束集合，计算激光加工烧蚀宽度，实现纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测。该方法预测准确、全面可靠，可有效应用于高速飞行器高性能天线激光加工工艺参数选择和加工轨迹规划中，对提高该类天线服役性能具有重要的实际应用意义。

主权项

1.一种纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测方法，其特征在于，该方法基于纳秒级脉冲激光加工复杂图案靶材表面能量动态分布模型，求解靶材表面能量密度值，并根据靶材‑激光间复杂物理化学反应机理，依托激光加工能量守恒定律和热力学规律，建立激光烧蚀深度预测模型，预测激光烧蚀微槽深度，在机床动态性能与激光器光学性能约束下，求解保证材料去除的加工参数约束集合，计算激光加工烧蚀宽度，实现纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测，从而为高速飞行器高性能天线激光加工工艺参数选择和加工轨迹规划提供理论和技术支持；方法的具体步骤如下：步骤1：基于能量动态分布模型与激光烧蚀机理的激光烧蚀深度求解作为稳态传播的电磁场，纳秒级基模高斯脉冲激光，简称纳秒激光；单脉冲能量在束腰平面上分布公式为：其中，w₀为束腰半径，F₀为激光能量密度；该纳秒激光沿半径为R的圆弧轨迹加工靶材时，靶材表面能量动态分布模型为：其中，f为激光重复频率，v为激光扫描速度，k为光斑相对位置，其与靶材表面激光能量分布区域内任意一点距离圆弧心长度r和圆弧轨迹半径R满足：r＝R+kw  (3)根据靶材‑激光间复杂物理化学反应机理，单脉冲激光烧蚀厚度l_T与烧蚀阈值F_th间存在如下关系：ρCp(T_m‑T₀)l_T＝(1‑β)F_th  (4)其中，ρ为靶材密度，Cp为靶材比热容，T_m、T₀分别为靶材熔化温度和室温，β为反射率，D_T为热扩散系数，t_p为脉冲激光持续时间；根据热力学定律，激光烧蚀能量平衡关系可表达为：(ρ_s+H_sl+ρ_lΔH_lv)H_k＝(1‑β)(F_k‑F_th)  (6)其中，ρ_s、ρ_l分别为靶材固态与液态下密度，ΔH_sl、ΔH_lv分别为靶材熔化焓与汽化焓；H_k为靶材表面k处激光烧蚀深度；由式(2)、(4)、(5)、(6)可得靶材表面k处基于能量动态分布模型与激光烧蚀机理的激光烧蚀深度可表示为：步骤2；保证材料去除的加工参数约束集合求解纳秒激光加工过程中，需要靶材表面累积的能量超过靶材烧蚀阈值以实现材料蒸发或熔化去除；因此，鉴于纳秒激光加工工艺参数直接影响靶材表面能量累积，在实际激光加工过程中，各加工工艺参数必须满足相应的约束关系，保证靶材表面能量累积值超过材料烧蚀阈值，以实现材料去除；在机床动态性能和激光器光学性能约束下，实现材料去除即要求最大烧蚀深度H_max>0；并且，激光最大烧蚀深度在光斑中心能量密度最高处取到，即k＝0处，此时H_max＝H_k＝0，即：因此，在机床动态性能与激光器光学性能约束下，求解保证材料去除的工艺参数可行域约束集合为：步骤3：计算目标去除厚度约束下的烧蚀宽度在复杂图案激光烧蚀过程中，激光沿一个方向的加工路径进给完成后，需向垂直方向进给一个步距继续加工，必须合理规划步距以实现材料的完全去除与基底的有效保护；因此，考虑步骤1所求激光烧蚀微槽截面轮廓特征和步骤2所求的保证材料去除的工艺参数可行域，在目标去除厚度约束下开展激光加工烧蚀宽度的求解对步距合理规划至关重要；并且，实际激光加工过程中，激光束腰半径尺度远远小于圆弧轨迹半径尺度，则：假设材料目标去除厚度为H_metal，若满足靶材表面激光烧蚀深度与材料目标去除厚度相等，在公式(10)的条件下，由公式(7)可得，光斑相对位置k_metal为：因此，由光斑相对位置参数定义式(3)和公式(11)，靶材表面激光烧蚀深度与需去除金属厚度相等情况下，激光烧蚀宽度为：根据公式(12)，在材料目标去除厚度约束下实现激光加工烧蚀宽度的求解。