Intelligent Ultra Precision Microfabrication System with Pico Second Pulse Glass Laser

皮秒脉冲玻璃激光器智能超精密微加工系统

基本信息

  • 批准号:
    09555043
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 5.76万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    日本
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
  • 财政年份:
    1997
  • 资助国家:
    日本
  • 起止时间:
    1997 至 1999
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Purpose of this study is to develop an intelligent precision microfabrication system with ultrafast laser. An intelligent manufacturing system can predict the processing phenomena. In order to realize prediction of laser ablation phenomena, thermohydrodynamics analysis and molecular dynamics simulation were carried out. In thermohydrodynamics analysis, the flow of molten pool accompanied with evaporation was analyzed considering latent heat of vaporization, displacement of gas-liquid interface during evaporation, evaporation recoil pressure and Marangoni force. A hole is generated as a result that the surface of molten pool is lowered by evaporation recoil pressure. Because the flow caused by the evaporation recoil pressure pushes the molten metal away to the surroundings, a rising is generated at circumference of the hole. This flow is maintained after the laser irradiation is finished and the rising grows up. In the molecular dynamics simulation of metal, it was found that there are two types in evaporation form. One is the explosive evaporation that occurs when pulse width is extremely short. The other is the relatively calm evaporation that occurs when pulse width is comparatively long. In the former process, comparatively large particles scatter. In the latter process, the size of scattering particles is relatively small. In the three-dimensional molecular dynamics simulations of silicon, it was found that propagation velocity of shock wave in Si [111] direction is faster than that in Si [100] direction. When the pulse width is comparatively long such as 5 ps, fusion depth in Si(111) surface structure is deeper, because atomic arrangement in Si [111] direction is layered and heat is easier to transferred. On the other hand, when the pulse width is extremely short such as 0.2 ps, the fusion depth is independent of surface structure, because the influence of internal absorption for laser is larger and the effect of heat conduction is much smaller.
本研究旨在发展一套智能化超快激光微细加工系统。智能制造系统可以预测加工现象。为了实现对激光烧蚀现象的预测,进行了热流体动力学分析和分子动力学模拟。在热流体动力学分析中,考虑蒸发潜热、蒸发过程中气液界面位移、蒸发反冲压力和Marangoni力等因素,对蒸发过程中熔池的流动进行了分析。由于蒸发反冲压力使熔池表面下降,从而产生孔洞。由于蒸发反冲压力引起的流动将熔融金属推离到周围,因此在孔的周边处产生隆起。该流动在激光照射结束后保持,并且上升增长。在金属的分子动力学模拟中,发现蒸发形式有两种。一种是脉冲宽度极短时发生的爆炸性蒸发。另一种是当脉冲宽度相对较长时发生的相对平静的蒸发。在前一个过程中,相对较大的颗粒分散。在后一过程中,散射颗粒的尺寸相对较小。在对硅的三维分子动力学模拟中,发现冲击波在Si [111]方向上的传播速度比在Si [100]方向上的传播速度快。当脉冲宽度比较长时,例如5ps,Si(111)表面结构中的熔合深度更深,因为Si [111]方向上的原子排列是分层的并且热更容易传递。另一方面,当脉冲宽度非常短时,如0.2ps,熔化深度与表面结构无关,因为激光的内部吸收的影响较大,而热传导的影响小得多。

项目成果

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专著数量(0)
科研奖励数量(0)
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专利数量(0)
大村 悦二: "レーザ照射によるfcc金属の溶融・蒸発過程の研究-分子動力学シミュレーション-" 精密工学会誌. 61-10. 1433-1437 (1995)
Etsuji Omura:“激光照射对 FCC 金属的熔化和蒸发过程的研究 - 分子动力学模拟”日本精密工程学会杂志 61-10 1433-1437(1995)。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
大村悦二: "レーザ照射によるfcc金属の溶融・蒸発過程の研究-分子動力学シミュレーション-" 精密工学会誌. 61-10. 1433-1437 (1995)
Etsuji Omura:“激光照射对 FCC 金属的熔化和蒸发过程的研究 - 分子动力学模拟”日本精密工程学会杂志 61-10 1433-1437(1995)。
  • DOI:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
大村悦二: "レーザ熱加工・蒸発シミュレーション" レーザ熱加工研究会誌. 2-2. 73-82 (1995)
Etsuji Omura:“激光热加工/蒸发模拟”激光热加工研究组杂志 2-2 (1995)。
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  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
Etsuji Ohmura: "Study on Theemal Shock Phenomena due to Laser Irradiation Using Molecular Dynamic" Int.J.of Japan Society for Precision Engineering. 29-2. 148-149 (1995)
Etsuji Ohmura:“利用分子动力学研究激光照射引起的热冲击现象”日本精密工程学会 Int.J.。
  • DOI:
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    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
村山里奈: "レーザテクスチャリングにおけるバンプ形成"第45回レーザ熱加工研究会論文集. 53-62 (1998)
Rina Murayama:“激光纹理中的凸块形成”第 45 届激光热处理研究组论文集 53-62 (1998)。
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