激光抛光技术的研究摘要：激光抛光是一种非接触式抛光方法。

本文介绍了激光抛光技术的发展历史, 论述了激光抛光的工艺特点和作用机理, 分析了影响激光抛光效率和抛光表面质量的因素及其影响规律。

最后，阐明了激光抛光的应用现状及未来的发展前景。

关键词：激光抛光作用机理热抛光Abstract: Laser polishing is a kind of contact-less polishing technique. The developing procedure of laser polishing technology is presented in this paper .The emphasis is focused on the characteristics of laser polishing process and its interacting mechanism.The factors which influence the polishing efficiency and polished surface roughness are analyzed.At last the current situation of laser polishing and future perspective is clarified.Keywords: Laser polishing interacting mechanism thermal polishing1. 背景及意义随着材料表面技术的发展, 表面抛光技术成为了一个越来越重要的技术。

抛光技术: 又称镜面加工技术, 是制造平坦而且加工变形层很小, 没有擦痕的面加工工艺。

在工业应用中, 对材料表面粗糙度的要求越来越高, 已经从微米级--亚微级--纳米级--亚纳米级。

为了满足应用的需要，人们不断探索新的抛光技术, 由于激光独特的性质, 激光抛光技术出现了。

图1 采用激光法抛光前后金刚石薄膜的S E M 形貌从90 年代中期以来,在美国、俄罗斯、德国和日本等国家, 广泛开展了金刚石薄膜的激光抛光研究, 已经得到了纳米级的表面粗糙度; 近年来, 日本大阪大学激光研究院的研究人员选用193nm 烧蚀波长和PMMA( 光学材料) 组配获得高的表面光滑度, 使其表面误差下降到只有0. 17K。

现在激光抛光已经在金刚石薄膜、高分子聚合物、陶瓷、半导体、光学元件、金属、绝缘体等得到广泛的研究。

日本东海大学( TokaiUniver sit y ) 电子工程系Masat aka M urahara 等人采用了光化学辅助反应的抛光机理。

采用248/ 193 nm准分子激光结合腐蚀图2 蓝宝石激光抛光前后形貌扫描电镜液抛光SiC 反射镜。

最佳效果达到Ra80 nm。

德国亚琛夫琅霍费激光所( ILT ) 的Willen-borg , E. 等人, 在 1. 234 3, 1. 234 4, 1. 231 6 等钢材上进行了激光抛光试验, 获得了接近镜面的表面粗糙度。

并用于玻璃铸造模具的制造, 获得的模具表面粗糙度Ra为0.15~ 0.2um.加拿大国家研究会微结构科学研究所采用308nmXeCl准分子激光抛光GaN薄膜。

其表面粗糙度从13nm提高到3.6nm。

俄罗斯通用物理研究所采用KrF 准分子激光抛光60~ 90 um 厚的金刚石膜, 获得35nm( 均方根值) 的表面, 并且改善了表面摩擦性能。

2. 激光抛光的特点激光有 4 大特性: 单色性、相干性、方向性和高能量密度。

这些性质使激光在加工方面具有独特的优势, 激光可经聚焦产生巨大的功率密度( 或能量密度) , 这使激光抛光成为了可能。

表 1 给出了激光抛光与其它抛光技术的比较。

从表中我们可以看出激光抛光有以下特点: ( 1) 它是非接触式抛光, 接触式抛光在样品上施加了外力, 样品在外力下容易破裂; 而非接触式激光抛光则不会对样品施加任何压力; ( 2) 激光抛光有很高的灵活性, 它不仅能对平面进行抛光, 还由于激光抛光是非接触式加工, 故运用计算机三维控制能够对各种曲面进行抛光, 如是对称曲面效果则更好, 激光能够抛光的面形有: 平面、球面、椭球面、抛物面等; ( 3) 抛光样品时, 不需要其它的辅助药剂, 故对环境的污染很小; ( 4) 可以实现精密的抛光; 材料表面经激光抛光后可以达到纳米级, 甚至亚纳米级; ( 5)特别适合超硬材料和脆性材料粗抛光后的精抛光;( 6) 可实现微细抛光, 对选定的微小区域进行局部抛光; ( 7) 抛光需要的工作环境比较简单, 一般在室温下进行, 不需要特殊的工作环境。

表1 激光抛光与其它抛光技术的特点名称激光抛光机械抛光超声波抛光离子束抛光化学抛光机理烧蚀磨蚀磨削溅射刻蚀氧化抛光面型曲面平面平面曲面平面温度室温室温室温室温高温特殊环境要求无无有有无环境污染无有有无有设备成本高低低高低样品尺寸要求无无有有有抛光时间较短长长长短抛光费用中等低低高低3. 激光抛光的机理和技术激光抛光本质上就是激光与物质的相互作用。

根据激光与材料的作用机理, 可把激光抛光简单分为两类: 一类为热抛光, 另一类为冷抛光。

激光热抛光一般用连续长波长激光聚焦于材料表面, 在很短的时间内在近表面区域积累大量的热, 使材料表面温度迅速升高, 表面层物质熔化和蒸发, 而基体的温度基本保持在室温。

当上述物理变化过程主要为熔化时, 材料表面熔化部分各处曲率半径的不同使熔融的材料向曲率低( 即曲率半径大) 的地方流动, 各处的曲率趋于一致。

同时, 固液界面处以每秒数米的速度凝固, 最终获得光滑平整的表面。

当上述物理变化过程主要为蒸发时, 激光抛光的实质就是去除材料表面一薄层物质。

热抛光有热效应，温度梯度大，产生的热应力大，容易产生裂纹，抛光表面质量不是很好，通常用于粗抛光。

如图3所示为激光抛光金刚石薄膜原理简图。

图3 激光抛光金刚石薄膜原理简图激光冷抛光一般用短脉冲短波长，激光冷抛光主要是通过“消融”作用，即光化学分解作用去除材料。

材料吸收光子后，材料中的化学键被打断或者晶格结构被破坏，表面材料开本体从而实现材料的去除。

在抛光过程中热效应可以忽略，热应力很小，不产生裂纹，不影响周围材料，材料去除容易控制，所以激光冷抛光特别适合精密抛光，尤其适合硬脆材料的精密抛光。

激光在对不同的材料进行抛光时, 系统是有些差别的, 但是系统的主要构成有: 激光器、光束均匀器、面形检测反馈系统、三维工作台、计算机控制系统。

激光抛光通常采用两种方法: 一种是激光光束固定不动, 工作台带动工件运动; 另一种是工作台和工件不动, 光束根据要求运动。

用连续激光抛光时, 激光作用在材料表面检测设备跟踪检测, 实时反馈控制决定每个微小部分作用时间( 或扫描速度) 或控制变焦聚焦系统来改变激光功率密度。

用脉冲激光抛光时, 激光作用在材料表面检测设备跟踪检测, 实时反馈控制决定每个微小部分作用的脉冲个数或者控制变焦聚焦系统来改变激光的能量密度。

在激光抛光过程中, 检测技术和实时反馈控制技术是关键, 在很大程度上决定了抛光的等级。

4. 影响激光抛光效果的因素激光抛光过程实际上可归结为材料对激光的吸收和转化过程。

当激光束聚焦到工件表面时，光能一部分被材料吸收，一部分被透射或反射损失。

材料物理性能、晶体结构、表面初始状况、材料厚度等因素对能量的吸收率和反射率都有影响，从而对抛光效果也有着重要影响。

图4 不同入射角蓝宝石表面形貌一般来说，长波长激光由于光子能量比较小，抛光材料时会使材料表面产生过大的热应力而产生裂纹，抛光表面质量较差，但抛光效率较高，因此，长波长激光适用于粗抛光。

而短波长激光的光子能量大，抛光材料时以光化学作用为主，能直接打断材料表面成分的化学键而去除材料，产生的热应力小，不易产生裂纹，抛光后的表面光滑，因此，短波长激光适合于精抛光。

图5 不同能量密度的激光在蓝宝石钻孔后的表面扫描电镜图像在激光能量密度和脉宽不变的情况下，激光扫描速度和激光重复频率决定了材料表面单位面积在单位时间内平均吸收的光能。

而在实验或生产应用中，通常激光重复频率都固定。

因此，激光扫描速度决定了材料表面的激光辐照时间，从而决定了材料表面单位面积在单位时间内平均吸收的光能，影响抛光效果。

存在一个最佳的激光扫描速度使抛光后的表面粗糙度最小，在激光波长532 nm，脉宽10 ns，重复频率10 Hz，激光入射角40°，脉冲能量50 mJ，抛光面积25 mm2的实验条件下的结果，如图 2 所示。

该扫描速度取决于材料表面晶粒的大小、光斑大小和形状、脉冲能量等。

图6 扫描速度与抛光效果的关系激光抛光是一种非接触式抛光方法。

激光抛光过程中，激光能量密度、激光脉宽、激光光束入射角、激光光束扫描速度、扫描方式、激光波长、工件材料性质和结构等因素对激光抛光效果有着重要影响。

激光波长决定着材料的去除方式，从而对抛光表面质量有着较大影响；激光的能量密度决定着材料的破坏阈值；能量密度和辐照时间是影响抛光效果的两个最重要的因素；激光扫描速度通过激光辐照时间和光斑重叠率两个方面影响抛光效果；激光光束扫描方式主要通过影响不同扫描过程间的激光辐照光斑重叠率和重叠形式，影响抛光表面质量；激光脉宽影响着激光的辐照时间。

另外，激光光斑形状、激光焦距等工艺参数对激光抛光效果也有影响。

外部条件包括工作环境的气压、气体成分、温度、湿度等因素对激光抛光效果有着一定的影响。

5. 总结展望激光抛光技术作为一项新技术, 目前还处于发展阶段, 在该领域还有许多工作要做。

虽然激光抛光技术具有很多优点, 但也存在一些问题。

首先, 设备的成本高、抛光的费用比较贵, 这在一定程度上限制了该技术的发展。

但随着激光器成本的降低, 抛光工艺的进一步改进, 这些问题会得到解决。

其次,抛光过程中的检测技术和精密控制技术要求相当高, 且因相互之间的技术保密, 为进一步发展增加了难度。

再其次, 如果利用激光对超硬材料表面进行抛光时, 因为它比较适合材料粗抛光后的精抛光, 所以如直接利用它对样品进行抛光, 由于材料的剥离量小, 效率就比较低, 此时, 一般是综合使用多种抛光方法。

但是对其它的非超硬材料进行抛光时, 则它既可以对材料进行粗抛光也可以进行精抛光。

总之, 激光抛光技术的发展会推动激光精密加工技术和激光微细加工技术的更快发展。

此外，加强硬脆材料激光抛光技术的研究，对我国微加工技术发展有重要意义。

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