12、高平均功率超短脉冲激光对金属的高速加工研究

高平均功率超短脉冲激光对金属的高速加工研究

在金属加工领域，高平均功率高重复频率（High-PRF）的超短脉冲激光加工技术正逐渐成为研究热点。本文将围绕该技术对技术级不锈钢的加工展开详细探讨，涉及实验细节、分析方法以及结果讨论等方面。

1. 激光加工的理论基础

在激光加工中，可去除材料体积与平均激光功率、有效穿透深度和烧蚀阈值之间存在着特定的相互关系，其表达式为：
[
\left.\frac{\dot{V}}{P_{av}}\right| {max} = \frac{2}{e^2} \cdot \frac{\delta}{H {th}}
]
其中，(\dot{V}) 是单位时间间隔内可去除的材料体积，(P_{av}) 是平均激光功率，(\delta) 是有效穿透深度，(H_{th}) 是烧蚀阈值。

当考虑不锈钢的有效穿透深度为 15 nm 时，经计算其去除效率为 0.244 (mm^3/W/min)。这意味着，若以 30 W 的平均激光功率照射不锈钢，理论上每分钟可去除 7.32 (mm^3) 的材料。

2. 实验细节与分析方法

本次实验研究了两种不同的高平均功率高重复频率超短脉冲激光系统：
- 飞秒激光 ：最大激光功率为 31.7 W，最大重复频率为 19.3 MHz。
- 皮秒激光 ：最大平均功率为 70.0 W，脉冲重复频率为 20 MHz。

具体激光参数如下表所示：
|参数|sci - series (Active Fiber Systems