作者单位
美国普林斯顿大学1,2,5
香港科技大学3
西班牙马德里理工大学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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https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ab94c6
01
文章导读
激光抛光常用于复杂几何体的表面平滑加工，是一种非接触式的抛光技术。传统激光抛光的激光光源为单点高功率高斯束，这种高功率激光在实现表面抛光时带来了材料蒸发和高成本等问题。而双低功率激光束经过空间偏移后耦合得到椭圆束斑，能够有效降低对单一激光功率的要求，同时在同等激光功率下，双低功率激光束的抛光效果比单高斯激光束提升20%以上，在低功率激光抛光加工领域具有极大的应用潜力。近期，美国普林斯顿大学机械与航空航天工程系Craig B. Arnold教授，在《极端制造》国际期刊（International Journal of Extreme Manufacturing）以《双低功率连续波激光抛光的影响因素》为题发表论文，详细介绍了双低功率连续波激光抛光技术的研究背景、实验参数和机理分析，同时对该技术的应用和未来发展方向进行了展望。
02
研究背景
目前激光抛光的一个主要挑战是抛光过程中激光能量密度的优化。在传统的的高斯束激光抛光中，激光功率、扫描速度和光斑直径都会影响能量密度进而影响抛光效果。小束斑高功率能产生高能量密度，但会带来局部高温、蒸发表面材料以及增大热熔区域温度梯度引起热毛细流动而影响抛光效果；而利用离焦以扩大束斑直径进而降低能量峰值又需要极高的激光功率（100 W以上）。针对这种现象，Craig B. Arnold教授创新提出双低功率连续波激光抛光技术以产生更长的熔池和更加平缓的温度梯度，在实现与单高斯束激光抛光效果的同时，又降低最低激光功率需求。在较低总功率条件下，该方法可以实现20%以上的抛光性能提升。
03
实验参数
利用两个Nd:YAG（1070 nm）高斯连续激光束作为激光光源。利用脉冲发生器控制两束激光的发射延迟以得到具有空间偏移的两束激光，在特定空间偏移范围内两者会形成椭圆束斑激光，实验设备构造如图1所示，两激光光斑截面如图2所示。用单高斯束激光作为对比实验组。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为激光功率与束斑面积之比，能量密度为激光功率与单位时间扫描的面积之比。其中，椭圆束斑用长轴a和短轴b描述，长轴a方向与扫描方向相同。在实验中主要围绕功率密度进行分析和讨论。最后，抛光效果采用粗糙度降低比例进行评估。
仿真采用COMSOL软件，在非等热流多物理场模型中对相变流体的传热和层流进行耦合以模拟激光抛光过程，并利用热毛细流动效应多物理场模块模拟表面张力随温度的变化。
图1 双连续激光抛光实验系统
图2 单高斯束圆形和双高斯束耦合椭圆激光光斑截面能量分布图
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机理分析
通过不同的功率、束斑大小（单激光为直径，双激光为长轴尺寸）、功率密度与粗糙度降低比例的关系曲线对双低功率连续波激光抛光的机理进行分析。
粗糙度降低比例随激光功率的增加先增加至最高点后保持不变，对于单激光该阈值为18W，对于双激光该阈值为22W。这是由于在阈值前，激光功率的增大增加了平均功率密度，使得熔池面积增大；而当超过阈值后，功率密度超过材料的蒸发阈值，从而不会继续增强抛光效果。
在束斑尺寸方面，当束斑尺寸增大时，粗糙度降低比例呈现先增加后减少的趋势，该粗糙度降低比例最大值对应尺寸阈值随激光功率的增加而增大。对于单激光，这是由于束斑尺寸的增大使得熔池面积增大，通过流动重新分布的材料更多；而当功率不变时，束斑增大会使功率密度下降，当功率密度低于1kW/mm2时不能熔化表面材料，导致抛光效果下降，因此，更高的激光功率会延迟尺寸增大导致的抛光效果降低。对于双激光，更大的长轴尺寸使得熔池更长，从而延长熔化时间让材料流动更为充分；但当长轴过长时，束斑会出现双热点，且有可能产生两个小的熔池，使得抛光效果下降。此外，在功率密度充足的情况下，更高的功率密度意味着束斑尺寸的减小，这限制了材料的流动分配进而使抛光效果下降。
对比单激光，双激光的优势在于在低激光功率（12W）时，其粗糙度降低比例峰值（80%）明显高于单激光（65%）。增大了激光束斑的可用尺寸范围。而当激光功率超过15W时，高功率使激光的能量密度分布优化影响大大降低，使得单双激光的抛光效果差异不大，甚至由于存在双热点问题，在22W功率下，双激光抛光效果略逊于单激光。作者认为，在12W时，双激光方式的粗糙度降低比例提高应归因于长的熔池。因此，作者对材料表面形貌特征进行快速傅里叶变换(FFT)，发现在85μm和40μm空间波长处有两个明显的峰值。之后，作者追踪这两个特征空间波长抛光前后的峰值以对抛光效果进一步量化。结果证明在40μm波长处，单双激光抛光前后峰值相似，但在85μm波长处，双激光抛光有更大的峰值差，这证明双激光抛光有更长的熔池使得间距为85μm的粗糙表面的材料得以熔化并重新分布。通过仿真软件得到的熔池长度结果与实验数据很好地吻合，再次证明了机理解释的合理性。
图3 被抛光线和高度剖面的共聚焦显微镜图像
05
作者简介
Craig B. Arnold教授于2000年获哈佛大学物理学博士学位。目前担任美国普林斯顿大学机械与航空航天工程系Susan Dod Brown客座教授，普林斯顿大学材料科学技术研究所所长，兼职于电子工程系、普林斯顿环境研究所以及Andlinger能源与环境中心。主要从事应用物理、流体力学和材料科学等方面研究。2005年和2006年分别获得ONR青年研究者奖和NSF职业生涯奖。Craig B. Arnold教授团队研究重点集中在材料的激光加工及其传热传质方面，并着重探索激光光束整形与材料相互作用。他的团队追求在基础材料和光学物理上有深刻的理解，以在能源到生物、成像到纳米科学等前沿技术应用中有直接影响力。代表性工作包括：光捕获辅助直写纳米图案化的研究和发展、用于高速变焦成像和材料加工的可调声波梯度折射率（TAG）透镜、用于生物和能源应用的复杂材料的激光直写印刷，以及用于基于溶液的中红外光子硫系化合物玻璃的打印方法。
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