超短脈沖激光燒蝕技術(shù)應(yīng)用探究

王耀德+++李昌立

摘 要：近年來(lái)隨著超短脈沖激光燒蝕技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。短脈沖激光與物質(zhì)相互作用時(shí)間介于納秒與飛秒之間，其峰值功率可達(dá)兆瓦級(jí)，因此在加工中可應(yīng)用于高精度、高硬材料的精細(xì)加工上，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)材料的三維加工，該方式稱為“冷”加工。文章旨在介紹超短脈沖技術(shù)的應(yīng)用研究，使人們對(duì)該技術(shù)有一定的宏觀認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：超短脈沖；激光燒蝕；應(yīng)用探究；宏觀認(rèn)識(shí)

1 短脈沖激光器與金屬相互作用理論

短脈沖誘導(dǎo)燒蝕材料的過(guò)程的建立需要一定的時(shí)間，并且與激光強(qiáng)度有直接關(guān)系。當(dāng)脈寬給定時(shí)，只有當(dāng)激光場(chǎng)的強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí)，形成的等離子體才能發(fā)生不可逆的損傷閾值，該閾值范圍通常以激光的能流閾值表示。根據(jù)文獻(xiàn)指出，脈沖寬度從連續(xù)到幾十個(gè)皮秒范圍內(nèi)，燒蝕過(guò)程為離子雪崩過(guò)程，開(kāi)始于內(nèi)部電子。通過(guò)對(duì)超短脈寬燒蝕閾值的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偏離了脈沖寬度平方根法則的時(shí)候，能量在很大范圍內(nèi)變動(dòng)均可引起材料的燒蝕，如圖1所示為超短脈沖激與金屬作用的過(guò)程。

當(dāng)前人們于超短脈沖激光燒蝕物質(zhì)的機(jī)理和研究還沒(méi)有獲得完全的認(rèn)知，研究的模型是將物質(zhì)看做一個(gè)總體的系統(tǒng)去考慮，只有達(dá)到了該物質(zhì)的沸點(diǎn)或熔點(diǎn)時(shí)，使得物質(zhì)蒸發(fā)或者熔化而使材料被去除。應(yīng)用傅里葉傳熱模型對(duì)上述過(guò)程可進(jìn)行具體的描述，但是他不適用于描述和分析超短脈沖激光與金屬薄膜或者介質(zhì)膜的作用過(guò)程。原因是由于載流子的特征尺寸與膜層的厚度相當(dāng)，同時(shí)其特征時(shí)間與傳輸能量的時(shí)間接近。

當(dāng)超短脈沖激光與金屬材料作用發(fā)生激光燒蝕時(shí)，材料的表面的電子吸收激光的能量后變?yōu)榉瞧胶鉅顟B(tài)，發(fā)生了相互制約的現(xiàn)象。造成電子爆炸運(yùn)動(dòng)速度接近于費(fèi)米速率。同時(shí)熱電子通過(guò)碰撞作用使得內(nèi)部電子獲得加熱，之后參與碰撞的電子達(dá)到短暫的呈費(fèi)米分布的熱平衡態(tài)。電子與晶格通過(guò)碰撞耦合效應(yīng)，使得電子溫度降低和晶格溫度升高，最終電子溫度與材料的晶格溫度達(dá)到平衡。

2 短脈沖激光燒蝕研究方法

激光燒蝕的研究方法包括：實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，理論計(jì)算分析和數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)方法能夠準(zhǔn)確的對(duì)后兩種方法進(jìn)行檢驗(yàn)。但實(shí)驗(yàn)方法需要的成本巨大。理論計(jì)算分析和數(shù)值模擬方法是一種對(duì)于研究激光燒蝕問(wèn)題的非常有的方法，其理論分析過(guò)程非常嚴(yán)謹(jǐn)，但是也存在一定的邊界條件限制，需要進(jìn)行相應(yīng)的假設(shè)，處理問(wèn)題的范圍有限。但其可低成本、高精度模擬短脈沖燒蝕機(jī)理內(nèi)的復(fù)雜問(wèn)題，一直是各大科研院校應(yīng)用的最廣泛的方法。若條件允許會(huì)采用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證，不斷修正算法達(dá)到近乎理想的模擬及精密數(shù)值計(jì)算水平。

3 短脈沖激光燒蝕應(yīng)用探究

短脈沖激光燒蝕技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，幾乎涉及到所有工業(yè)加工制造領(lǐng)域。光信息存儲(chǔ)應(yīng)用方面，飛秒激光燒蝕技術(shù)現(xiàn)在可以在透明材料介質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)三維光存儲(chǔ)技術(shù)。通過(guò)利用1064nm和248nm組合脈沖激光器制備的銀納米顆粒，可應(yīng)用與表面增強(qiáng)拉曼散射光譜技術(shù)中，可以探討這兩種Ag納米顆粒與探針對(duì)羥基苯甲酸的吸附行為。

納皮秒激光感生擊穿光譜技術(shù)（LIBS）可應(yīng)用與測(cè)量土壤中有害重金屬含量。激光燒蝕固體進(jìn)樣法，可以精密的測(cè)定出固體樣品中各種元素的含量，有利于加工制造符合摻雜比的材料。

在海洋地質(zhì)研究中，電耦合等離子體質(zhì)譜與激光燒蝕技術(shù)的聯(lián)用探查海底礦藏含量或礦脈中也獲得了巨大的應(yīng)用。航空領(lǐng)域中，應(yīng)用激光燒蝕技術(shù)，產(chǎn)生的推力，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了激光微型噴射器的研制，并已應(yīng)用于微型衛(wèi)星的軌道定向制動(dòng)中。在核電站領(lǐng)域中，激光燒蝕技術(shù)廣泛應(yīng)用于內(nèi)熱控隔層中等離子體表面器件上的除氚的碳沉積過(guò)程

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)短脈沖激光技術(shù)的探究，介紹了超短脈沖激光器與金屬相互作用的經(jīng)典理論和作用過(guò)程，以及超短脈沖激光燒蝕技術(shù)在多種領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用范圍，論證了未來(lái)超短脈沖燒蝕技術(shù)具有非常好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]Hohlfeld J，Wellershoff S S，Güdde J， et al. Electron and lattice dynamics following optical excitation of metals[J].Chemical Physics， 2000，251（1-3）：237-258.

[2]Chen J K，Beraun J E. Numerical study of ultrashort laser pulse interactions with metal films[J].Numerical Heat Transfer Part A - Applications，2001，40（40）：1-20.

作者簡(jiǎn)介：王耀德，單位：長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，碩士研究生，主要研究方向：短脈沖激光燒蝕技術(shù)。

*通訊作者：李昌立，單位：長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，博士研究生，職稱：博士生導(dǎo)師，教授。