13、高功率短脉冲激光加工与光子纳米射流激光微加工

高功率短脉冲激光加工与光子纳米射流激光微加工

在现代制造业中，激光加工技术正不断发展，为金属加工和微纳制造带来了新的可能性。本文将介绍高功率短脉冲激光对不锈钢的高速加工以及利用光子纳米射流进行激光微加工的相关研究。

高功率短脉冲激光对不锈钢的高速加工

在金属加工领域，高功率短脉冲激光结合快速扫描系统的高速加工技术备受关注。

理论分析

对材料烧蚀的理论分析表明，在烧蚀速率和吞吐量方面，中等能量密度范围是最佳的加工区域。对于飞秒激光脉冲，当能量密度是烧蚀阈值的7.4倍时，材料去除效率最高。经计算，最大去除效率为0.244 $mm^3$/W/min。考虑到平均激光功率为30W，最大去除速率可达7.32 $mm^3$/min。通过平衡焦点直径和脉冲能量，使能量密度达到最佳值0.74 J/$cm^2$，可以使用不同的参数组合获得最大去除速率。

实验分析

实验中使用了高平均功率、高重复频率的短脉冲激光，包括平均输出功率为31.7W的飞秒激光和76W的皮秒激光。研究发现，每个激光脉冲的体积去除量（定义为体积烧蚀速率）和单位时间内可去除的材料体积（定义为材料去除速率）都随能量密度的增加而增加。在508kHz至4.83MHz的脉冲重复频率范围内，未观察到重复频率对烧蚀速率有显著影响，但不能排除热积累和粒子屏蔽在该范围内相互平衡的可能性。

不同重复频率下的去除效率如下表所示：
| 重复频率范围 | 去除效率（$mm^3$/W/min） |
| ---- | ---- |
| 508kHz - 3.8MHz | 0.33 |
| 4.83MHz | 0.22 |
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