作者單位:

美國普林斯頓大學1,2,5 

香港科技大學3 

西班牙馬德裏理工大學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).

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文章導讀

激光拋光常用於(yu) 複雜幾何體(ti) 的表麵平滑加工，是一種非接觸式的拋光技術。傳(chuan) 統激光拋光的激光光源為(wei) 單點高功率高斯束，這種高功率激光在實現表麵拋光時帶來了材料蒸發和高成本等問題。而雙低功率激光束經過空間偏移後耦合得到橢圓束斑，能夠有效降低對單一激光功率的要求，同時在同等激光功率下，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域具有極大的應用潛力。近期，美國普林斯頓大學機械與(yu) 航空航天工程係Craig B. Arnold教授，在《極端製造》國際期刊（International Journal of Extreme Manufacturing）以《雙低功率連續波激光拋光的影響因素》為(wei) 題發表論文，詳細介紹了雙低功率連續波激光拋光技術的研究背景、實驗參數和機理分析，同時對該技術的應用和未來發展方向進行了展望。

02

研究背景

目前激光拋光的一個(ge) 主要挑戰是拋光過程中激光能量密度的優(you) 化。在傳(chuan) 統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(hui) 影響能量密度進而影響拋光效果。小束斑高功率能產(chan) 生高能量密度，但會(hui) 帶來局部高溫、蒸發表麵材料以及增大熱熔區域溫度梯度引起熱毛細流動而影響拋光效果；而利用離焦以擴大束斑直徑進而降低能量峰值又需要極高的激光功率（100 W以上）。針對這種現象，Craig B. Arnold教授創新提出雙低功率連續波激光拋光技術以產(chan) 生更長的熔池和更加平緩的溫度梯度，在實現與(yu) 單高斯束激光拋光效果的同時，又降低最低激光功率需求。在較低總功率條件下，該方法可以實現20%以上的拋光性能提升。

03

實驗參數

利用兩(liang) 個(ge) Nd:YAG（1070 nm）高斯連續激光束作為(wei) 激光光源。利用脈衝(chong) 發生器控製兩(liang) 束激光的發射延遲以得到具有空間偏移的兩(liang) 束激光，在特定空間偏移範圍內(nei) 兩(liang) 者會(hui) 形成橢圓束斑激光，實驗設備構造如圖1所示，兩(liang) 激光光斑截麵如圖2所示。用單高斯束激光作為(wei) 對比實驗組。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(wei) 激光功率與(yu) 束斑麵積之比，能量密度為(wei) 激光功率與(yu) 單位時間掃描的麵積之比。其中，橢圓束斑用長軸a和短軸b描述，長軸a方向與(yu) 掃描方向相同。在實驗中主要圍繞功率密度進行分析和討論。最後，拋光效果采用粗糙度降低比例進行評估。

仿真采用COMSOL軟件，在非等熱流多物理場模型中對相變流體(ti) 的傳(chuan) 熱和層流進行耦合以模擬激光拋光過程，並利用熱毛細流動效應多物理場模塊模擬表麵張力隨溫度的變化。

圖1雙連續激光拋光實驗係統

圖2單高斯束圓形和雙高斯束耦合橢圓激光光斑截麵能量分布圖

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機理分析

通過不同的功率、束斑大小（單激光為(wei) 直徑，雙激光為(wei) 長軸尺寸）、功率密度與(yu) 粗糙度降低比例的關(guan) 係曲線對雙低功率連續波激光拋光的機理進行分析。

粗糙度降低比例隨激光功率的增加先增加至最高點後保持不變，對於(yu) 單激光該閾值為(wei) 18W，對於(yu) 雙激光該閾值為(wei) 22W。這是由於(yu) 在閾值前，激光功率的增大增加了平均功率密度，使得熔池麵積增大；而當超過閾值後，功率密度超過材料的蒸發閾值，從(cong) 而不會(hui) 繼續增強拋光效果。

在束斑尺寸方麵，當束斑尺寸增大時，粗糙度降低比例呈現先增加後減少的趨勢，該粗糙度降低比例最大值對應尺寸閾值隨激光功率的增加而增大。對於(yu) 單激光，這是由於(yu) 束斑尺寸的增大使得熔池麵積增大，通過流動重新分布的材料更多；而當功率不變時，束斑增大會(hui) 使功率密度下降，當功率密度低於(yu) 1kW/mm2時不能熔化表麵材料，導致拋光效果下降，因此，更高的激光功率會(hui) 延遲尺寸增大導致的拋光效果降低。對於(yu) 雙激光，更大的長軸尺寸使得熔池更長，從(cong) 而延長熔化時間讓材料流動更為(wei) 充分；但當長軸過長時，束斑會(hui) 出現雙熱點，且有可能產(chan) 生兩(liang) 個(ge) 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，這限製了材料的流動分配進而使拋光效果下降。

對比單激光，雙激光的優(you) 勢在於(yu) 在低激光功率（12W）時，其粗糙度降低比例峰值（80%）明顯高於(yu) 單激光（65%）。增大了激光束斑的可用尺寸範圍。而當激光功率超過15W時，高功率使激光的能量密度分布優(you) 化影響大大降低，使得單雙激光的拋光效果差異不大，甚至由於(yu) 存在雙熱點問題，在22W功率下，雙激光拋光效果略遜於(yu) 單激光。作者認為(wei) ，在12W時，雙激光方式的粗糙度降低比例提高應歸因於(yu) 長的熔池。因此，作者對材料表麵形貌特征進行快速傅裏葉變換(FFT)，發現在85μm和40μm空間波長處有兩(liang) 個(ge) 明顯的峰值。之後，作者追蹤這兩(liang) 個(ge) 特征空間波長拋光前後的峰值以對拋光效果進一步量化。結果證明在40μm波長處，單雙激光拋光前後峰值相似，但在85μm波長處，雙激光拋光有更大的峰值差，這證明雙激光拋光有更長的熔池使得間距為(wei) 85μm的粗糙表麵的材料得以熔化並重新分布。通過仿真軟件得到的熔池長度結果與(yu) 實驗數據很好地吻合，再次證明了機理解釋的合理性。

圖3被拋光線和高度剖麵的共聚焦顯微鏡圖像

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作者簡介

Craig B. Arnold教授於(yu) 2000年獲哈佛大學物理學博士學位。目前擔任美國普林斯頓大學機械與(yu) 航空航天工程係Susan Dod Brown客座教授，普林斯頓大學材料科學技術研究所所長，兼職於(yu) 電子工程係、普林斯頓環境研究所以及Andlinger能源與(yu) 環境中心。主要從(cong) 事應用物理、流體(ti) 力學和材料科學等方麵研究。2005年和2006年分別獲得ONR青年研究者獎和NSF職業(ye) 生涯獎。Craig B. Arnold教授團隊研究重點集中在材料的激光加工及其傳(chuan) 熱傳(chuan) 質方麵，並著重探索激光光束整形與(yu) 材料相互作用。他的團隊追求在基礎材料和光學物理上有深刻的理解，以在能源到生物、成像到納米科學等前沿技術應用中有直接影響力。代表性工作包括：光捕獲輔助直寫(xie) 納米圖案化的研究和發展、用於(yu) 高速變焦成像和材料加工的可調聲波梯度折射率（TAG）透鏡、用於(yu) 生物和能源應用的複雜材料的激光直寫(xie) 印刷，以及用於(yu) 基於(yu) 溶液的中紅外光子硫係化合物玻璃的打印方法。