作者單位:
美國普林斯頓大學1,2,5
香港科技大學3
西班牙馬德里理工大學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).
01
文章導讀
激光拋光常用于復雜幾何體的表面平滑加工，是一種非接觸式的拋光技術。傳統激光拋光的激光光源為單點高功率高斯束，這種高功率激光在實現表面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后耦合得到橢圓束斑，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航空航天工程系Craig B. Arnold教授，在《極端制造》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主要挑戰是拋光過程中激光能量密度的優化。在傳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影響能量密度進而影響拋光效果。小束斑高功率能產生高能量密度，但會帶來局部高溫、蒸發表面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生更長的熔池和更加平緩的溫度梯度，在實現與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
利用兩個Nd:YAG（1070 nm）高斯連續激光束作為激光光源。利用脈沖發生器控制兩束激光的發射延遲以得到具有空間偏移的兩束激光，在特定空間偏移范圍內兩者會形成橢圓束斑激光，實驗設備構造如圖1所示，兩激光光斑截面如圖2所示。用單高斯束激光作為對比實驗組。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激光功率與束斑面積之比，能量密度為激光功率與單位時間掃描的面積之比。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。最后，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的傳熱和層流進行耦合以模擬激光拋光過程，并利用熱毛細流動效應多物理場模塊模擬表面張力隨溫度的變化。
圖1雙連續激光拋光實驗系統
圖2單高斯束圓形和雙高斯束耦合橢圓激光光斑截面能量分布圖
04
機理分析
通過不同的功率、束斑大小（單激光為直徑，雙激光為長軸尺寸）、功率密度與粗糙度降低比例的關系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后保持不變，對于單激光該閾值為18W，對于雙激光該閾值為22W。這是由于在閾值前，激光功率的增大增加了平均功率密度，使得熔池面積增大；而當超過閾值后，功率密度超過材料的蒸發閾值，從而不會繼續增強拋光效果。
在束斑尺寸方面，當束斑尺寸增大時，粗糙度降低比例呈現先增加后減少的趨勢，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。對于單激光，這是由于束斑尺寸的增大使得熔池面積增大，通過流動重新分布的材料更多；而當功率不變時，束斑增大會使功率密度下降，當功率密度低于1kW/mm2時不能熔化表面材料，導致拋光效果下降，因此，更高的激光功率會延遲尺寸增大導致的拋光效果降低。對于雙激光，更大的長軸尺寸使得熔池更長，從而延長熔化時間讓材料流動更為充分；但當長軸過長時，束斑會出現雙熱點，且有可能產生兩個小的熔池，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，這限制了材料的流動分配進而使拋光效果下降。
對比單激光，雙激光的優勢在于在低激光功率（12W）時，其粗糙度降低比例峰值（80%）明顯高于單激光（65%）。增大了激光束斑的可用尺寸范圍。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，甚至由于存在雙熱點問題，在22W功率下，雙激光拋光效果略遜于單激光。作者認為，在12W時，雙激光方式的粗糙度降低比例提高應歸因于長的熔池。因此，作者對材料表面形貌特征進行快速傅里葉變換(FFT)，發現在85μm和40μm空間波長處有兩個明顯的峰值。之后，作者追蹤這兩個特征空間波長拋光前后的峰值以對拋光效果進一步量化。結果證明在40μm波長處，單雙激光拋光前后峰值相似，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85μm的粗糙表面的材料得以熔化并重新分布。通過仿真軟件得到的熔池長度結果與實驗數據很好地吻合，再次證明了機理解釋的合理性。
圖3被拋光線和高度剖面的共聚焦顯微鏡圖像
05
作者簡介
Craig B. Arnold教授于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航空航天工程系Susan Dod Brown客座教授，普林斯頓大學材料科學技術研究所所長，兼職于電子工程系、普林斯頓環境研究所以及Andlinger能源與環境中心。主要從事應用物理、流體力學和材料科學等方面研究。2005年和2006年分別獲得ONR青年研究者獎和NSF職業生涯獎。Craig B. Arnold教授團隊研究重點集中在材料的激光加工及其傳熱傳質方面，并著重探索激光光束整形與材料相互作用。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：光捕獲輔助直寫納米圖案化的研究和發展、用于高速變焦成像和材料加工的可調聲波梯度折射率（TAG）透鏡、用于生物和能源應用的復雜材料的激光直寫印刷，以及用于基于溶液的中紅外光子硫系化合物玻璃的打印方法。
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