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莱因哈特·波普拉维教授

德国亚琛工业大学激光技术研究院主席

欢迎

这个视频是关于激光烧蚀和钻削的

事实证明，这或多或少重点在钻削那里

而我们将进行第二次烧蚀实验

但由于这些过程的一般下标是烧蚀

我们从烧蚀开始

所以，你们可以看到这张列表

首先我们需要准备一些激光烧蚀的设备

然后就到烧蚀

不同的激光钻削工艺

例如单激光钻削、冲击钻削、钻孔和螺旋钻削

先来看一下我们刚才提到的

亚波长结构和超快速精确烧蚀

一些动力例子

这里有很多设备

从标识、医疗应用中眼科手术的清洁

房屋清洁、工业清洁、结构化、表面结构化

表面纳米结构化以及在材料加工、激光钻孔等都体现了更深层次的应用

烧蚀过程一般在两个结构域中进行

第一个领域是熔体主导领域

我们熔化一个典型的表面，形成一个熔池

然后升高温度

这样就会形成汽化

从而得到一个蒸汽压力，将熔体推出来

或多或少围绕产生压力的激光诱导等离子体

因此，我们会发现一个加工几何形状

这基本上取决于熔体的再凝固过程

因此，它将有相当大的由几何形状主导的熔体

如果我们增加强度

我们就能得到蒸汽主导的烧蚀过程

在这个例子中，正如你们在示意图中看到的

蒸发将占主导地位

并且该过程最终导致或多或少烧蚀忽略的领域和结构

正如你在最后一张图所见

所以烧蚀在这个过程中不占主导作用

在这个更详细的示意图中

你可以看到表面温度随材料深度变化的曲线

从熔体和导热视频中可以看出

时间的平方根和熔膜厚度

主要是由此时熔点的等温线决定的

因此，这种熔体膜厚度会越来越小

而我们允许的辐射时间越少

这个效果被绘制在右图上

在这里你可以看得更详细

热穿透深度与脉冲持续时间的函数

对于铝和钢，可以看到两种不同的导热系数是kappa

基本上如果我们在微秒区域内处理脉冲长度

我们就会得到纳米到几十纳米的热熔膜厚度

以纳秒为单位

如果用纳秒计算

我们会得到相应的熔体膜厚的穿透深度，相当于亚微米到微米的量级

所以，如果我们真的想要达到亚微米的精度

我们绝对需要远低于纳秒和脉冲长度

在接下来的几张图表中

你将看到对几个钻削过程的调查研究

我们根据两个标准对它们进行分类

一个标准是钻孔持续时间

钻这个洞需要多长时间

而另一个是我们所能达到的精度

就像你期望从自然行为中提高精确度一样

对更多时间的需求也会增加

这也适用于钻孔过程

我们区分了单脉冲钻孔、冲击钻孔、钻孔

它们类似于切割和螺旋钻孔

使用非常短的脉冲

那么，让我们逐一体验这四个过程

我将从单脉冲钻孔和冲击钻孔这两个过程开始

在单脉冲钻孔中

孔底有熔化和汽化

我们将在孔壁处使熔体凝固

当然，随着深度的增加

当熔体冷却时，在上部会有更高的粘附力

因此它更有可能粘附在孔出口的区域

然后产生一些阴影效应

正如你们在这张放大图中看到的，一些阴影效应

如果熔体真的在孔中形成

那么我们就会有阴影效应

入射激光的强度不会到达孔底

当然，非常重要的一点是再冷凝

这意味着，从汽相中

我们得到了我们不想要的重新冷凝材料

因此，在单脉冲激光打孔中

这些挑战可以通过调整空间和时间的强度来克服

如果我们施加多于一个脉冲

常在时间范围内，比如一毫秒

所以，如果我们应用不止一个脉冲

就像这张图片的右边部分所示

这应该表明我们有几个脉冲

然后把它们放到钻头上

然后我们得到的钻井深度会增加到几毫米

正如你所看到的

纵横比可以在20：1的范围内实现

所以这样的洞是相当狭窄和相当深的

下一个过程叫做穿孔

穿孔已经是激光束的运动

因此，我们以一个通常为圆形的几何形状在确定的半径上移动激光束

这个半径要大于光束半径

那样我们基本上可以切出了一个圆孔

正如图中所展示的

因此，通过这个过程

我们还可以在相当窄的角度下处理几何图形

然而，只通过机械手段是很难做到的

因此，在这种情况下，我们有机会在相当大的入射角下钻孔

我们也可以制作锥形孔

正如你在这些例子中看到的

根据不同的方式

我们如何知道用这个附加的轴在空间中引导光束

这是一种非常灵活的钻孔方式

在这个视频中，你可以看到在线拍摄的照片

图中所展示的就是钻孔过程

激光绕着孔移动，

我们按照孔径把它切成的最终形状

这种穿孔应用与现实世界的应用不同

比如在飞机涡轮叶片中使用的热障涂层高强度材料的钻孔

在这里可以看到穿孔过程的两个特征

一是我们可以在非常大的入射角下进行切割

二是在陶瓷环境中，

出口甚至可以单独成形

也可以通过进一步的过程来增加

如用超快激光烧蚀

我们将在相应的视频中展示

最后的钻削过程称为螺旋钻削

螺旋钻，顾名思义，很容易解释

它就像一个螺旋，就像一个阶梯

一个脉冲一个脉冲地走下去

比如说，一个阶梯，一个圆柱形的阶梯

这就是为什么我们把这个过程称为螺旋钻削

在这些螺旋钻削的示意图和图片中

你可以在右上角看到几个脉冲在相同的激光脉冲方位下的足迹

所以这里激光只是定位在我们想钻的半径的不同点

但相对位置保持不变

因此，正如你在下面的示意图中看到的

如果激光的强度分布不完全是圆的

我们就会有不同的激光部分

也就是说，为了接触钻头的边缘

我们可能会获得不同的性能

为了克服这个问题

我们要做的是旋转强度分布的形状以及钻头周围的位置

在这种情况下，它被夸大了

即使我们有这样一种花生形的光束分布

我们总是得到相同的部分

也就是说，激光束与壁接触

这样我们就能自动得到关于所产生孔的圆度的自稳定过程

这是螺旋干燥机的关键特性之一

在这个视频中你可以看到一个动画来展示它的过程

正如我之前一步一步地向你们解释的那样

用激光束沿着楼梯走下那个孔洞形状的圆形楼梯

得到一个非常精确但相当耗时的过程

我们怎样旋转这个横梁

这在左边这张图片的示意图中可以看到

这里有一个简单的楔子

我们用它来偏转光束

所以如果我们转动楔子

我们就可以相应地关掉激光器

但是，保持径向对称的方向

这是我们想要的

在右边的演示中

所谓梯形棱镜的过程要复杂一些

这种梯形棱镜的优点是

即使对称轴旋转激光束的垂直度更高

我们也可以获得更高的激光束的垂直入射

所以我们可以使用这些梯形棱镜获得更高的纵横比

这就是为什么将它们用于实践的原因

这是一张螺旋钻孔的照片

因此，我们得到微小的熔体形成

正如我所指出的

如果我们使用10微秒远低于1纳秒的脉冲长度

熔体膜厚度远低于1微米

所以我们得到了非常好的质量

你们可以看到，在这些过程中，几何结构也是非常稳定的

因为我们可以通过旋转光束来限定它

这就是四个不同的钻井过程的描述

在这个图中，我们总结了这些过程的典型特征。

从单脉冲打孔开始

我们可以用激光打出最快的孔

长宽比可以达到10:20

典型的钻探次数少于几秒,，通常是不到一秒

如果你要进行多个单脉冲钻孔

也就是所谓的冲击钻孔

那么我们也使用更短的脉冲

所要用到的时间会更短

通常需要一到五秒的钻孔时间

但是纵横比要达到大约50：1

在穿孔中，我们同样有50∶1左右的纵横比

但它的优点是可以得到非常大的入射角

我们可以在这些过程中使用这些入射角

仍然保持钻头的高矩形

而且在几秒的范围内具有相对短的时间

然而，螺旋钻进是钻探中最费时但最精确的过程

我们必须计算每一分钟

然后我们可以得到高深宽比

高表面质量，高矩形，

在一次完美钻孔的高深宽比

在这个演示中，你可以看到

在烧蚀和精密加工的下一步中

这个过程使用非常短的脉冲激光器

在这种情况下，我们使用低于10微秒的脉冲误差

因此，如果你看这幅图中的刻度

它的单位是1微米

我们得到了表面结构

表面粗糙度在1：10纳米的范围内

所以，如果我们使用这些激光器，其精确度会低于亚微米级

这个视频总结了激光钻孔的步骤和原理

并且你今天已经看完了我们所应用的四个不同过程

作为缩短脉冲长度的熔体膜厚度减少的自然演变结果

随着人们继续发展微秒激光器

真正的高功率飞秒激光器可以达到几百瓦，甚至上千瓦

为了扩大这种奇妙的超精密过程

我们将在另一个的视频里对此进行单独讲解