作者單位:

美國(guó)普林斯頓大學(xué)1,2,5 

香港科技大學(xué)3 

西班牙馬德里理工大學(xué)4

 Catition

Zhang W X, Kiwan Wong K W, Morales M, Molpeceres C and Arnold C B. Implications of using two low-power continuous-wave lasers for polishing.Int. J. Extrem. Manuf.2, 035101 (2020).

01

文章導(dǎo)讀

激光拋光常用于復(fù)雜幾何體的表面平滑加工，是一種非接觸式的拋光技術(shù)。傳統(tǒng)激光拋光的激光光源為單點(diǎn)高功率高斯束，這種高功率激光在實(shí)現(xiàn)表面拋光時(shí)帶來(lái)了材料蒸發(fā)和高成本等問(wèn)題。而雙低功率激光束經(jīng)過(guò)空間偏移后耦合得到橢圓束斑，能夠有效降低對(duì)單一激光功率的要求，同時(shí)在同等激光功率下，雙低功率激光束的拋光效果比單高斯激光束提升20%以上，在低功率激光拋光加工領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。近期，美國(guó)普林斯頓大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系Craig B. Arnold教授，在《極端制造》國(guó)際期刊（International Journal of Extreme Manufacturing）以《雙低功率連續(xù)波激光拋光的影響因素》為題發(fā)表論文，詳細(xì)介紹了雙低功率連續(xù)波激光拋光技術(shù)的研究背景、實(shí)驗(yàn)參數(shù)和機(jī)理分析，同時(shí)對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用和未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

02

研究背景

目前激光拋光的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是拋光過(guò)程中激光能量密度的優(yōu)化。在傳統(tǒng)的的高斯束激光拋光中，激光功率、掃描速度和光斑直徑都會(huì)影響能量密度進(jìn)而影響拋光效果。小束斑高功率能產(chǎn)生高能量密度，但會(huì)帶來(lái)局部高溫、蒸發(fā)表面材料以及增大熱熔區(qū)域溫度梯度引起熱毛細(xì)流動(dòng)而影響拋光效果；而利用離焦以擴(kuò)大束斑直徑進(jìn)而降低能量峰值又需要極高的激光功率（100 W以上）。針對(duì)這種現(xiàn)象，Craig B. Arnold教授創(chuàng)新提出雙低功率連續(xù)波激光拋光技術(shù)以產(chǎn)生更長(zhǎng)的熔池和更加平緩的溫度梯度，在實(shí)現(xiàn)與單高斯束激光拋光效果的同時(shí)，又降低最低激光功率需求。在較低總功率條件下，該方法可以實(shí)現(xiàn)20%以上的拋光性能提升。

03

實(shí)驗(yàn)參數(shù)

利用兩個(gè)Nd:YAG（1070 nm）高斯連續(xù)激光束作為激光光源。利用脈沖發(fā)生器控制兩束激光的發(fā)射延遲以得到具有空間偏移的兩束激光，在特定空間偏移范圍內(nèi)兩者會(huì)形成橢圓束斑激光，實(shí)驗(yàn)設(shè)備構(gòu)造如圖1所示，兩激光光斑截面如圖2所示。用單高斯束激光作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)組。功率密度和能量密度描述激光的能量分布，其中功率密度定性描述為激光功率與束斑面積之比，能量密度為激光功率與單位時(shí)間掃描的面積之比。其中，橢圓束斑用長(zhǎng)軸a和短軸b描述，長(zhǎng)軸a方向與掃描方向相同。在實(shí)驗(yàn)中主要圍繞功率密度進(jìn)行分析和討論。最后，拋光效果采用粗糙度降低比例進(jìn)行評(píng)估。

仿真采用COMSOL軟件，在非等熱流多物理場(chǎng)模型中對(duì)相變流體的傳熱和層流進(jìn)行耦合以模擬激光拋光過(guò)程，并利用熱毛細(xì)流動(dòng)效應(yīng)多物理場(chǎng)模塊模擬表面張力隨溫度的變化。

圖1雙連續(xù)激光拋光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2單高斯束圓形和雙高斯束耦合橢圓激光光斑截面能量分布圖

04

機(jī)理分析

通過(guò)不同的功率、束斑大?。▎渭す鉃橹睆剑p激光為長(zhǎng)軸尺寸）、功率密度與粗糙度降低比例的關(guān)系曲線(xiàn)對(duì)雙低功率連續(xù)波激光拋光的機(jī)理進(jìn)行分析。

粗糙度降低比例隨激光功率的增加先增加至最高點(diǎn)后保持不變，對(duì)于單激光該閾值為18W，對(duì)于雙激光該閾值為22W。這是由于在閾值前，激光功率的增大增加了平均功率密度，使得熔池面積增大；而當(dāng)超過(guò)閾值后，功率密度超過(guò)材料的蒸發(fā)閾值，從而不會(huì)繼續(xù)增強(qiáng)拋光效果。

在束斑尺寸方面，當(dāng)束斑尺寸增大時(shí)，粗糙度降低比例呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，該粗糙度降低比例最大值對(duì)應(yīng)尺寸閾值隨激光功率的增加而增大。對(duì)于單激光，這是由于束斑尺寸的增大使得熔池面積增大，通過(guò)流動(dòng)重新分布的材料更多；而當(dāng)功率不變時(shí)，束斑增大會(huì)使功率密度下降，當(dāng)功率密度低于1kW/mm2時(shí)不能熔化表面材料，導(dǎo)致拋光效果下降，因此，更高的激光功率會(huì)延遲尺寸增大導(dǎo)致的拋光效果降低。對(duì)于雙激光，更大的長(zhǎng)軸尺寸使得熔池更長(zhǎng)，從而延長(zhǎng)熔化時(shí)間讓材料流動(dòng)更為充分；但當(dāng)長(zhǎng)軸過(guò)長(zhǎng)時(shí)，束斑會(huì)出現(xiàn)雙熱點(diǎn)，且有可能產(chǎn)生兩個(gè)小的熔池，使得拋光效果下降。此外，在功率密度充足的情況下，更高的功率密度意味著束斑尺寸的減小，這限制了材料的流動(dòng)分配進(jìn)而使拋光效果下降。

對(duì)比單激光，雙激光的優(yōu)勢(shì)在于在低激光功率（12W）時(shí)，其粗糙度降低比例峰值（80%）明顯高于單激光（65%）。增大了激光束斑的可用尺寸范圍。而當(dāng)激光功率超過(guò)15W時(shí)，高功率使激光的能量密度分布優(yōu)化影響大大降低，使得單雙激光的拋光效果差異不大，甚至由于存在雙熱點(diǎn)問(wèn)題，在22W功率下，雙激光拋光效果略遜于單激光。作者認(rèn)為，在12W時(shí)，雙激光方式的粗糙度降低比例提高應(yīng)歸因于長(zhǎng)的熔池。因此，作者對(duì)材料表面形貌特征進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，發(fā)現(xiàn)在85μm和40μm空間波長(zhǎng)處有兩個(gè)明顯的峰值。之后，作者追蹤這兩個(gè)特征空間波長(zhǎng)拋光前后的峰值以對(duì)拋光效果進(jìn)一步量化。結(jié)果證明在40μm波長(zhǎng)處，單雙激光拋光前后峰值相似，但在85μm波長(zhǎng)處，雙激光拋光有更大的峰值差，這證明雙激光拋光有更長(zhǎng)的熔池使得間距為85μm的粗糙表面的材料得以熔化并重新分布。通過(guò)仿真軟件得到的熔池長(zhǎng)度結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地吻合，再次證明了機(jī)理解釋的合理性。

圖3被拋光線(xiàn)和高度剖面的共聚焦顯微鏡圖像

05

作者簡(jiǎn)介

Craig B. Arnold教授于2000年獲哈佛大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。目前擔(dān)任美國(guó)普林斯頓大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系Susan Dod Brown客座教授，普林斯頓大學(xué)材料科學(xué)技術(shù)研究所所長(zhǎng)，兼職于電子工程系、普林斯頓環(huán)境研究所以及Andlinger能源與環(huán)境中心。主要從事應(yīng)用物理、流體力學(xué)和材料科學(xué)等方面研究。2005年和2006年分別獲得ONR青年研究者獎(jiǎng)和NSF職業(yè)生涯獎(jiǎng)。Craig B. Arnold教授團(tuán)隊(duì)研究重點(diǎn)集中在材料的激光加工及其傳熱傳質(zhì)方面，并著重探索激光光束整形與材料相互作用。他的團(tuán)隊(duì)追求在基礎(chǔ)材料和光學(xué)物理上有深刻的理解，以在能源到生物、成像到納米科學(xué)等前沿技術(shù)應(yīng)用中有直接影響力。代表性工作包括：光捕獲輔助直寫(xiě)納米圖案化的研究和發(fā)展、用于高速變焦成像和材料加工的可調(diào)聲波梯度折射率（TAG）透鏡、用于生物和能源應(yīng)用的復(fù)雜材料的激光直寫(xiě)印刷，以及用于基于溶液的中紅外光子硫系化合物玻璃的打印方法。