超短脈沖激光對巖石的燒蝕作用研究

鄭志遠,楊 楠,徐金澤,魏廣飛,張自力,吳秀文,周惟公

(中國地質大學礦物材料開放應用國家專業(yè)實驗室,北京100083)

1 引 言

激光技術是20世紀60年代在量子物理學、光子光譜學、無線電電子技術基礎上興起的一門多學科結合的科學技術,這種基于受激輻射而獲得的特殊光具有方向性強、亮度高、單色性和相干性好的特點.這些特點使得激光技術在各個領域得到了廣泛的應用,激光鉆井技術和激光剝離電感耦合等離子體質譜技術便是激光技術應用在地質領域的很好的體現(xiàn)[1-6].對于這2種技術而言,其中的本質問題之一都是激光與巖石相互作用.

當高強度的激光束作用于巖石表面時,部分能量被巖石吸收,其余都被反射和散射損失掉.當巖石吸收的能量超過本身的離化閾值時,就會發(fā)生系列復雜的物理化學反應,如破碎、分解、熔化、汽化等.同時由于巖石層中的巖石多數以飽油、飽水或飽氣的狀態(tài)埋藏在高溫高壓的深層地下環(huán)境中,因此,激光與巖石的相互作用還要受多種外在因素的影響.探討激光與巖石相互作用的機理,不僅要考慮到所使用的激光波長、頻率、功率密度等對破巖效率的影響,同時也要考慮巖石本身的性質和所處的環(huán)境因素的影響.本文選取了紅砂巖、花崗巖、大理巖典型巖石作為代表,對其干燥狀態(tài)和浸水后,納秒脈沖激光對它們的燒蝕情況進行了初步研究.

2 實驗方法

實驗是在中國地質大學(北京)物理實驗中心完成的,圖1為實驗裝置示意圖.波長為532 nm、寬度為10 ns的脈沖激光經聚焦鏡(f=75 mm,φ=38 mm)聚焦到巖石靶的表面,入射激光能量為100 mJ.圓形巖石靶的直徑為30 mm,厚度為2 mm,表面拋光.入射激光的頻率可以調節(jié),分別為1,5,10,20 Hz.巖石靶的質量損失由精度為0.01 mg的天平獲得.浸水巖石靶的燒蝕質量損失是首先在干燥狀態(tài)下獲得質量,然后在水中浸泡10 d,取出后將表面上的水擦干,放到干板夾固定后進行激光燒蝕.燒蝕后再在干燥箱中加熱干燥,直至全部水分消除后再獲取其質量.

圖1 實驗裝置示意圖

3 結果及分析

激光所具有的特性使激光與物質的相互作用很特殊.通常把單脈沖激光與物質的相互作用分為2個階段:首先是低能量密度階段,在這個階段,激光產生的壓力還不足以引起物質的破壞,但是卻足以誘發(fā)某些甚至是不可逆的相變;其次是高能量密度階段,此時物質表面材料迅速發(fā)生電離,組織結構遭到破壞,當激光功率密度達到一定值時,物質表面的材料會發(fā)生濺射,形成激光蒸發(fā);當激光功率密度繼續(xù)提高,超過某一閾值,材料表面在激光的誘導下,就會形成高溫蒸發(fā)氣體或者等離子體[7].

圖2為紅砂巖在干燥和浸水條件下,燒蝕質量損失與入射激光頻率的關系,其中質量損失為激光每發(fā)的平均值.從圖中可以看出,在入射激光頻率為1 Hz時,浸水后的紅砂巖的每發(fā)質量損失為8.1μg,明顯大于干燥條件下的每發(fā)質量損失2.06μg.隨著激光入射頻率的增加,浸水后的紅砂巖樣品的質量損失迅速下降,最后趨于干燥條件下靶的質量損失.這是由于紅砂巖浸泡后,充分吸收水分,加大了對激光能量的吸收,使得質量損失大幅度提高.但由于等離子體對入射激光脈沖有一定的屏蔽作用,阻止了部分能量直接到達巖石表面,使部分激光與等離子體作用,而不是巖石.所以隨著入射頻率的增加,燒蝕質量呈現(xiàn)下降的趨勢.另一方面,由于脈沖激光的連續(xù)燒蝕,使得燒蝕區(qū)域的水分已經汽化,這時浸水后的巖石靶已經相當于干燥條件下,所以在高的激光入射頻率下,2種狀態(tài)下的質量損失呈現(xiàn)出大致相同的數值.

圖2 干燥與浸水后紅砂巖的燒蝕頻率與質量損失的關系

圖3為干燥和浸水后2種條件下,不同入射激光頻率燒蝕紅砂巖后的形貌,入射激光能量為100 mJ,燒蝕發(fā)次為 300.圖3中并沒有給出1 Hz下的燒蝕形貌,主要是由于對于相同的燒蝕發(fā)次,1 Hz所需時間較長,為保障激光與相同條件下的巖石面相互作用,只能通過不斷改變燒蝕區(qū)域以實現(xiàn)相同的發(fā)次.所以,為了便于比較,只給出了5,10,20 Hz的燒蝕形貌.從圖中可以看出,相對于干燥條件下,浸水后的燒蝕孔邊緣相對平滑.就燒蝕孔徑而言,在入射頻率為10 Hz時,孔徑較大.這與圖2中在該頻率下質量損失較大的結果是一致的.

圖3 不同入射激光頻率下干燥和浸水后紅砂巖的燒蝕形貌

從圖2中可以看出,1 Hz條件2種狀態(tài)下的質量損失相差明顯,為了進一步研究其原因,對質量損失與燒蝕發(fā)次的關系進行了研究(圖4所示).從圖中可以看出,浸水后的質量損失明顯大于干燥條件下的質量損失.同時,隨著燒蝕發(fā)次的增多,2種條件下的燒蝕結果趨于一致.這主要是由于兩方面的原因:一是由于隨著激光入射發(fā)次的增多,激光燒蝕區(qū)域的水分汽化,當水分幾乎全部汽化后,激光與巖石的作用相當于在干燥條件下進行,對于這一點,在前面也探討過;另一方面,由于激光不斷燒蝕,與激光相互作用的巖石表面在不斷地變化,這時的巖石表面已經離開了激光的最佳聚焦位置,使得激光功率密度降低,這同樣會引起燒蝕質量的下降.

圖4 入射激光為1 Hz時干燥與浸水后紅砂巖的質量損失與激光燒蝕發(fā)次的關系

圖5給出紅砂巖在不同入射激光能量 f=1 Hz下的單發(fā)質量損失.從圖中可看出,隨著入射激光能量的增加,質量損失呈現(xiàn)上升趨勢,同時浸水后的質量損失明顯大于干燥環(huán)境下的質量損失.由于干燥條件下的質量損失較小,入射激光為55 mJ時的質量損失在實驗中沒有被測量出.

圖5 紅砂巖在不同入射激光能量下的單發(fā)質量損失

激光與巖石相互作用的過程中,激光輻照原始巖體,沉積的能量與材料的組分以及空隙率等有關[8-9].表1為在干燥條件下,激光燒蝕大理巖、花崗巖和紅砂巖的燒蝕質量損失.激光與花崗巖、大理巖和紅砂巖相互作用中,由于紅砂巖空隙率最大,激光輻照燒蝕的效果相對較差,同時受材料組分的影響,最致密的花崗巖的燒蝕效果不如大理巖.

表1 干燥條件下,不同巖石種類的單發(fā)燒蝕質量損失

4 結束語

對激光與不同狀態(tài)、不同巖石的燒蝕效果進行了研究.結果發(fā)現(xiàn),激光的燒蝕質量損失與巖石的狀態(tài)、巖石種類、激光的入射頻率、入射發(fā)次等多種因素有關.但就所處的環(huán)境而言,浸水后的燒蝕效果明顯好于干燥條件下的燒燭效果,這一點有很好的現(xiàn)實意義,例如激光鉆井中的巖石都是處于飽水的狀態(tài)中.本文只是簡單探討了干燥和浸水后的情況,實際上,巖石處于高溫、高壓、飽水、飽油等復雜的環(huán)境中,研究激光與其作用是非常復雜的過程,還需要進行大量、細致的工作.

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