重復(fù)激光脈沖對熔石英損傷的演化機制

郭洪巖,劉全喜

(1.濱州學(xué)院航空工程學(xué)院,山東 濱州 256600；2.西南技術(shù)物理研究所,四川 成都 610041)

1 引 言

由于熔石英具有帶隙寬,透過光譜范圍較大(紫外到近紅外),耐高溫以及化學(xué)熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點,已成為了高能激光系統(tǒng)中不可缺少的光學(xué)元件之一[1-3]。但是隨著高能激光系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,其損傷問題已成為了各研究者關(guān)注的一大重點[4]。由于在不同的激光作用位置下,樣品損傷形貌差距較大,研究激光作用區(qū)域?qū)θ凼悠窊p傷形貌的影響,可以為激光加工中分析熔石英成因提供指導(dǎo)。

很多學(xué)者已通過改變各類激光參數(shù),對光學(xué)元件的損傷特性進行了大量的理論和實驗研究。趙建君通過重復(fù)激光脈沖輻照K9玻璃,研究了其損傷特性[5]；羅福通過1064 nm連續(xù)脈沖作用K9玻璃,研究了其破壞機理[6]；邱榮等人通過使用不同激光脈沖數(shù)輻照熔石英,研究了其損傷增長特性[7]。王金舵等人理論研究了150 fs～10 ps脈寬下熔石英激光損傷特性[8]。但鮮有涉及激光聚焦位置對樣品損傷形貌特性的研究。而精準(zhǔn)控制激光聚焦位置,一直是激光工業(yè)過程中的一大難題,本文通過改變激光作用位置,分析了激光作用位置對熔石英樣品損傷形貌的影響,為指導(dǎo)激光系統(tǒng)精準(zhǔn)聚焦提供了參考。

2 實驗裝置

實驗采用納秒激光脈沖對熔石英進行輻照損傷實驗,實驗所用裝置如圖1所示。實驗平臺通過He-Ne激光準(zhǔn)直,再通過分光鏡(透射能量∶射能量=8∶2)反射,分出光線經(jīng)衰減片衰減后到達(dá)能量計,用凸透鏡將激光光束聚焦,為避免擊穿空氣對實驗造成的影響,本實驗將激光聚焦在石英光學(xué)元件內(nèi)部且靠近拋光前表面處,測得在單脈沖作用下,樣品損傷概率為50%時,測得的激光輸出能量為18.26 mJ。實驗所用FellesPhotonic型固體脈沖激光器,輸出頻率在1 Hz,3 Hz,5 Hz,10 Hz可調(diào),輸出波長為1064 nm和532 nm,1064 nm激光輸出脈寬為12.8 ns,輸出脈沖強度在時間和空間上呈高斯型；本次實驗采用的輸出波長為1064 nm,衰減片能量透過率為10%,能量計測量精度可達(dá)±3%,凸聚焦鏡焦距為20 cm,聚焦半徑為0.07 mm。實驗樣品為定制的六面拋光熔石英玻璃樣品,樣品規(guī)格為50 mm×20 mm×3 mm。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 The experiment set-up

3 損傷特性

選用能量為10.63 mJ,頻率為1 Hz的1064 nm激光作用熔石英內(nèi)部,且靠近樣品前表面處,使用s-on-1模型,當(dāng)s=33時,得到樣品典型的初始損傷圖如2所示。

圖2 樣品初始損傷形貌圖Fig.2 Initial damage morphology of the sample

保持激光參量不變,繼續(xù)增加激光作用脈沖數(shù)目,當(dāng)s=50,s=60,s=80時,得到石英玻璃樣品損傷圖，如圖3所示。

圖3 典型的熔石英樣品損傷圖Fig.3 Typical fused glass sample damage chart

當(dāng)激光作用熔石英樣品表面時,樣品無明顯損傷特性(s<33),增大激光作用脈沖數(shù),如圖2所示,當(dāng)s=33時,樣品產(chǎn)生初始損傷,繼續(xù)增加激光作用脈沖數(shù)目,如圖3所示,在重復(fù)激光脈沖作用下,樣品損傷區(qū)域由中間向外擴展,且中間區(qū)域損傷程度明顯強于外延處；隨著激光作用脈沖數(shù)目增加,樣品損傷區(qū)域逐漸由內(nèi)部向外表面擴展。圖3(a)中,損傷區(qū)域集中在樣品內(nèi)部,且損傷中心處呈霧化狀斷裂區(qū)(A區(qū)),在斷裂區(qū)外延,霧化狀斷裂形貌減小,出現(xiàn)明顯的直線型裂紋(B區(qū)),且裂紋周邊出現(xiàn)明顯的融化現(xiàn)象(C區(qū))。如圖3(b)所示,加大脈沖作用數(shù)目,發(fā)現(xiàn)樣品斷裂區(qū)域具有由內(nèi)向外擴展趨勢,且樣品外表面出現(xiàn)環(huán)狀斷裂帶(D區(qū))。當(dāng)使用f=10 Hz的重復(fù)脈沖持續(xù)作用樣品5 s后,發(fā)現(xiàn)樣品外表面出現(xiàn)明顯的損傷區(qū)域,在損傷區(qū)域中心處,出現(xiàn)明顯與圖3(a)A區(qū)中相似的霧化狀斷裂區(qū)(E區(qū)),在E區(qū)外延,出現(xiàn)大范圍的直線狀裂紋與融化區(qū)共存的損傷區(qū)(F區(qū))。對比圖3(a)與圖3(c),發(fā)現(xiàn)在霧化狀斷裂區(qū)外延處,外表面損傷區(qū)中融化區(qū)域范圍明顯大于內(nèi)表面損傷區(qū),直線狀裂紋明顯少于內(nèi)表面損傷區(qū)。

4 理論研究

納秒激光作用石英玻璃時,玻璃內(nèi)的雜質(zhì)、缺陷時沉積激光能量的主要原因,當(dāng)樣品沉積了一定能量時,其內(nèi)部雜質(zhì)熔化汽化,產(chǎn)生等離子體,當(dāng)?shù)入x子溫度達(dá)到一定臨界值時,會被點燃產(chǎn)生向外膨脹的等離子沖擊波,對石英玻璃產(chǎn)生強烈的沖擊作用[9]。

由于作用在吸收體上激光的能量呈高斯分布,材料內(nèi)部不同區(qū)域能量不同,使石英玻璃存在一定的溫度梯度,從而使材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。為了研究樣品在重復(fù)激光脈沖作用下,內(nèi)部和外表面損傷形貌差異成因,本文對樣品損傷時的熱力學(xué)過程進行了一系列模擬。激光能量密度作為樣品損傷的重要參量,其公式可以描述如下[10]:

其中,Q表示激光作用樣品能量;w為光斑尺寸,此處為0.07 mm,E0為激光作用樣品能量密度。在激光作用下,樣品隨激光作用時間,溫度變化如下[11]:

(n=1,2,3…)

其中,假設(shè)室溫為300 K,T表示激光作用溫升,t和z分別表示激光作用時間和激光作用樣品深度,此處的k,ρ,c,α,R,τ分別代表熱導(dǎo)率,密度,比熱容,吸收系數(shù),反射率和激光脈寬。

由于激光聚焦半徑遠(yuǎn)小于樣品尺寸,可以近似為無限邊界,則激光作用材料時熱應(yīng)力公式可以表示如下[12]:

其中,E,υ,α分別表示樣品的楊氏模量、泊松比和線性熱膨脹系數(shù)。σθ表示激光作用面徑向熱應(yīng)力,σr表示激光作用面環(huán)向熱應(yīng)力,σz表示沿激光作用深度向熱應(yīng)力。其中石英玻璃參數(shù)如表1所示。

表1 石英玻璃參數(shù)Tab.1 Quartz glass parameters

通過模擬仿真,可以計算出使用22 mJ激光能量作用熔石英樣品時的熱力學(xué)變化過程，如圖4和圖5所示。

圖4 激光作用區(qū)域熱應(yīng)力分布Fig.4 Thermal stress distribution of the focal region

圖5 激光作用區(qū)域溫度分布Fig.5 Temperature distribution of the focal region

由于石英玻璃的抗壓強度約3 GPa,抗拉強度約0.5 GPa,抗沖擊強度約為8 GPa,軟化點在1100 ℃左右,但由于石英玻璃樣品表面缺陷的存在,其實際抗壓強度僅有數(shù)十兆帕,從圖4可知,當(dāng)使用22 mJ激光能量作用熔石英樣品時,其受到的熱應(yīng)力僅有數(shù)百兆帕,遠(yuǎn)小于樣品斷裂閾值；由圖5可知,激光作用區(qū)升溫遠(yuǎn)低于樣品軟化點。因此激光作用樣品過程中產(chǎn)生的溫升和熱應(yīng)力不足以使樣品產(chǎn)生斷裂。

當(dāng)樣品內(nèi)部雜質(zhì)吸收激光能量汽化時,會形成高溫高壓等離子沖擊波,對樣品產(chǎn)生作用,其中等離子沖擊波壓強表達(dá)式為[13]:

P(kbar)=BI(GW/cm2)0.7×λ(μm)-0.3τ(ns)-0.15

(6)

式中,P代表壓強,其中1 bar=0.1 MPa,I表示入射光強,λ為入射波長,τ為脈寬,B為一常量,玻璃中B=21。

圖6為等離子沖擊波壓強隨激光作用半徑的變化。由圖6可以看出,激光輻照范圍在50 μm以內(nèi)且激光能量大于13 mJ時,等離子沖擊波可以對樣品造成損傷,這表明等離子沖擊波是樣品損傷主要原因。

圖6 等離子沖擊波壓強隨激光作用半徑分布Fig.6 The distribution of the plasma shock wave pressure with the laser action radius

當(dāng)重復(fù)激光脈沖作用熔石英樣品時,滿足多脈沖損傷模型[14-15]。樣品吸收激光能量,增加損傷前體,在后續(xù)激光能量作用下,損傷前體進一步增加,并沉積大量能量,當(dāng)積累的能量大于樣品損傷閾值時,樣品產(chǎn)生損傷。其具體表達(dá)式如下[14]:

P(E)=1-(E/Eth(N))-dSG/2

(7)

其中,P為樣品損傷概率;E為激光輸出能量;Eth為樣品損傷閾值;N為激光作用樣品脈沖數(shù);SG為激光作用樣品高斯光斑面積。由式(7)可知損傷閾值與激光作用樣品表面脈沖數(shù)N和激光作用能量密切相關(guān)。當(dāng)激光作用頻率為10時,其損傷概率曲線如圖7所示。

圖7 N=1和N=10時樣品 損傷率數(shù)據(jù)與擬合曲線Fig.7 The sample damage rate data and the fitting curve of 1 shot and 10 shots

圖7可知,實驗數(shù)據(jù)與擬合曲線吻合度較好,但與單脈沖作用相比,使用重復(fù)脈沖激光作用樣品時,樣品損傷閾值明顯減少,可能的原因是多脈沖激光作用樣品時,樣品每次吸收激光能量產(chǎn)生的損傷前體降低了樣品透過率,增加了樣品光學(xué)吸收。使用E=13.26 mJ,f=10 Hz激光脈沖作用樣品7次,但確保樣品無明顯損傷形貌,探測樣品激光作用區(qū)和未作用區(qū)透過光譜如圖8所示。

圖8 激光未作用區(qū)和激光作用7次 時樣品透過率曲線Fig.8 The transmittance curve of the sample without the laser acts and the laser shot 7 times

圖8可知,在激光作用7次后,樣品透過率減小,一定程度上增加了樣品對激光的吸收。可以通過樣品透過光譜,得到樣品光學(xué)帶隙如圖9所示。

圖9 激光未作用區(qū)和激光作用7次時樣品光學(xué)帶隙Fig.9 The optical bandgap of laser does not function and the laser acts 7 times

由于熔石英為直接帶隙[16],其帶隙計算公式遵循Tauc公式[17-18]:

αhv=A(hv-Eg)1/2

(8)

其中,Eg為樣品帶隙;A為態(tài)密度常數(shù),品材質(zhì)有關(guān);α為樣品吸收系數(shù);d為樣品厚度;T為樣品透過率。由圖9可知,樣品通過激光連續(xù)作用7次后,光學(xué)帶隙微弱減小,表面損傷前體的增加不僅增加了樣品的吸光性,而且加大了樣品導(dǎo)電性能。但增加的幅度不明顯。對圖3中(a)、(b)、(c)樣品進行透射光譜測試,并計算其光學(xué)帶隙。

樣品損傷后,其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯變化。由圖10可知,樣品損傷后透過率與光學(xué)帶隙明顯下降,且隨著激光作用脈沖數(shù)增加,其透過率與光學(xué)帶隙呈逐漸減小趨勢。其主要的原因是樣品損傷后,內(nèi)部結(jié)合的O-Si-O鍵發(fā)生斷裂,增加了游離態(tài)離子鍵,加大了樣品導(dǎo)電性能,降低樣品帶隙[14],隨著激光作用樣品脈沖數(shù)增多,游離的離子鍵也逐步增多,最終導(dǎo)致樣品a、b、c透過率和光學(xué)帶隙依次減小。

在圖3中,重復(fù)激光脈沖等離子沖擊波對樣品產(chǎn)生沖擊壓力,使樣品出現(xiàn)如圖3所示直線型裂紋[19]。

如圖11所示,通過對激光作用熔石英樣品內(nèi)部和空氣時壓強隨時間變化規(guī)律進行仿真,發(fā)現(xiàn)在激光作用樣品內(nèi)部時,壓強變化速率較小。表明沖擊波損傷熔石英內(nèi)部后,內(nèi)部約束空間降低了沖擊波向四周擴展趨勢,使沖擊波能量長期聚集在一個較小的范圍內(nèi),損傷斷裂區(qū)持續(xù)吸收激光能量,出現(xiàn)如圖3(a)所示的大范圍霧化狀斷裂區(qū)(A區(qū))；隨著等離子沖擊波作用半徑增大,在損傷區(qū)外延處,出現(xiàn)融化現(xiàn)象,但由于沖擊波范圍受到約束,融化區(qū)較小。使用重復(fù)脈沖持續(xù)作用樣品,樣品外表面受到反沖力[20],使樣品出現(xiàn)如圖3(b)所示環(huán)狀斷裂帶。當(dāng)激光作用時間足夠長時,樣品由內(nèi)至外發(fā)生損傷,等離子沖擊波不再受內(nèi)部石英玻璃樣品約束,沖擊波壓強擴展范圍和變化速率加大[21],損傷形貌如圖3(c)所示,形成小范圍的霧化狀斷裂區(qū)(E區(qū))和大范圍的融化區(qū)。

圖10 a、b、c樣品透射光譜圖和光學(xué)帶隙變化Fig.10 Spectral transmittance and andthe variation of optical band gap of quartz glass

圖11 激光作用石英玻璃樣品內(nèi)部 和表面時壓強隨時間變化規(guī)律Fig.11 The Pressure change rule when laser irradiates the fused glass surface and inside

5 結(jié) 論

通過1064 ns重復(fù)脈沖持續(xù)作用熔石英樣品內(nèi)部,對不同作用時間和不同作用位置時,樣品損傷形貌變化特性進行分析,得到結(jié)論如下:1064 ns激光作用熔石英玻璃時,其損傷主要來自于等離子沖擊波作用；隨著樣品損傷程度的增加,樣品斷裂離子鍵增加,其透過光譜和光學(xué)帶隙都逐漸下降,且在熔石英約束層內(nèi)部,沖擊波作用范圍集中,持續(xù)時間較長,對損傷形貌進行觀測,發(fā)現(xiàn)由中心到外延,內(nèi)部會形成大范圍的霧化狀斷裂區(qū)和小范圍的融化損傷區(qū)；加大激光作用時間,在等離子沖擊波作用下,激光損傷區(qū)逐漸由內(nèi)部擴展到外表面,在外表面處,樣品對等離子沖擊波約束條件消失,等離子沖擊擴展范圍和壓力梯度急劇增大,對損傷形貌進行觀測,發(fā)現(xiàn)由中心到外延,外表面會形成小范圍的霧化狀斷裂區(qū)和大范圍的融化損傷區(qū)。