基于超快電子衍射的飛秒激光加工汽車用鋁材超快超精細(xì)晶格動力學(xué)過程

劉棟，王瑄，王偉，岳大光，趙娟，張路路，張芹，高尚

1.山東交通學(xué)院理學(xué)院，山東濟(jì)南 250357；2.中國科學(xué)院物理研究所，北京 100190

0 引言

隨著社會的發(fā)展，人們對汽車的外觀、性能指標(biāo)、安全性及經(jīng)濟(jì)性均提出更高要求。受環(huán)境污染和能源成本上升的影響，各大汽車廠商先后推出自己的新能源汽車計(jì)劃。整車和零配件供應(yīng)商都在嘗試采用高強(qiáng)度的輕量化新材料、新工藝等滿足新能源電動汽車項(xiàng)目、無人駕駛技術(shù)的需要。目前常采用鋁板、激光拼焊板、連續(xù)變截面板(tailor rolling blanks，TRB)、熱成型、液壓成形及高強(qiáng)鋼減少白車身質(zhì)量，同時(shí)保障甚至提高安全性能[1-3]。

在汽車制造方面，鋁材比傳統(tǒng)硬鋼具有更多優(yōu)勢：1)人體工程性能優(yōu)越，例如可塑性較好，制造的座椅等部件更舒適，具有特殊的金屬光澤，更加美觀；2)力學(xué)性能較好，金屬鋁添加鎂、銅、硅、錳、鋅等金屬制成的鋁合金的強(qiáng)度和硬度均明顯提高；3)工藝性強(qiáng)，鋁材比較輕質(zhì)，加工性能較好，液態(tài)鋁合金具備流動填充性，在塑性過程中不易出現(xiàn)裂紋，壓力加工性較好[4]。因此，含鋁材料在汽車行業(yè)中應(yīng)用日益廣泛。2021年初，上汽通用的凱迪拉克CT6投放市場，成為中國第1款投放市場的全鋁車身車型，其白車身及覆蓋件用鋁合金達(dá)62%。新捷豹XFL采用了全鋁車身，白車身和覆蓋件用鋁合金達(dá)75%[5]。蔚來的ES8汽車被定位為中國市場第1款真正意義上的純電動全鋁車身車型，蔚來正在建設(shè)全鋁車身的生產(chǎn)線。中國也將成為鋁制車身的最大生產(chǎn)國[6]。

鋁材加工時(shí)，經(jīng)過固溶熱處理、淬火及后續(xù)強(qiáng)化，快速冷卻時(shí)的熱傳導(dǎo)過程引起溫度梯度對材料的殘余應(yīng)力、力學(xué)性能有較大影響[7]。在制作汽車的變速系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)及車身時(shí)，需考慮熱量在鋁材部件中的傳導(dǎo)過程對其機(jī)械性能的影響。

激光加工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車零件的制造。相比于傳統(tǒng)納秒激光加工，近年來出現(xiàn)的飛秒激光加工技術(shù)(激光脈寬小于100fs)最突出的特點(diǎn)是熱效應(yīng)?。猴w秒激光的短脈寬和高能量密度使材料通過多光子效應(yīng)和隧道效應(yīng)電離，材料內(nèi)部電子系統(tǒng)被激發(fā)，通過電子-聲子耦合將熱量傳遞給晶格[8-9]。此過程極短。晶格產(chǎn)生非熱致?lián)p傷或非熱致相變，熱效應(yīng)極小，因此切口附近較少產(chǎn)生熔化、濺射、燒蝕，邊緣光滑平整，加工質(zhì)量較高[10]。飛秒激光瑞麗光斑小，適用靶材范圍廣，是微小部件精細(xì)加工的重要方法[11]。飛秒激光加工技術(shù)已逐漸應(yīng)用于汽車行業(yè)：噴油器是汽車上的精密零部件，在接受發(fā)動機(jī)指令后，精準(zhǔn)控制、高速噴射霧狀燃油，燃油充分燃燒產(chǎn)生動能，驅(qū)動汽車前行。噴油器對噴射孔尺寸精度、內(nèi)壁的光滑要求較高。傳統(tǒng)上采用電火花打孔制造噴油器，但隨著汽車排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，傳統(tǒng)打孔技術(shù)不能滿足這一要求。王國富完成基于飛秒激光超精細(xì)孔加工技術(shù)的電控燃油噴油器制造工藝開發(fā)及裝備集成項(xiàng)目，噴油孔加工厚度小于2 mm，定位準(zhǔn)確度為±0.005/300 mm，孔徑加工范圍為0.05～2.00 mm，加工誤差不大于±0.002 mm[12]。飛秒激光加工在汽車制造業(yè)中應(yīng)用潛力巨大，并向其他材料和功能的汽車零部件發(fā)展。研究飛秒激光加熱后汽車用鋁材內(nèi)部的熱傳導(dǎo)和晶格變化過程，即晶格動力學(xué)過程，對提高激光加工汽車部件的質(zhì)量，保證汽車安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

超快電子衍射(ultrafast electron diffraction，UED)是精細(xì)探測物體內(nèi)部原子與分子結(jié)構(gòu)變化過程的試驗(yàn)測試手段[13-14]，其原理如圖1所示。飛秒激光泵浦脈沖寬度極小，具有超高時(shí)間分辨率。采用飛秒激光加工靶材時(shí)，靶材內(nèi)部發(fā)生較多超快化學(xué)和物理反應(yīng)，如電子光致激發(fā)、化學(xué)鍵斷裂、中間產(chǎn)物演化、晶體膨脹、晶格動力學(xué)相變等。采用具有高空間分辨率(可探測尺寸小于0.1 ?的)的電子衍射(electron diffraction，ED)技術(shù)觀測晶格內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)，如果再采用精細(xì)延時(shí)線控制拍攝圖像的時(shí)間間隔(小于0.1 ps)連續(xù)多次采集，拍攝靶材被激光加熱后不同時(shí)刻的電子衍射圖像，再通過快速的數(shù)據(jù)采集和分析軟件，可動態(tài)觀察晶格內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對靶材內(nèi)部晶格動力學(xué)過程進(jìn)行時(shí)空分辨觀測。這就是UED 的基本原理。UED兼顧飛秒激光和精確延時(shí)線的高時(shí)間分辨率(可探測小于0.1 ps的變化過程)和ED的高空間分辨率，目前時(shí)間分辨能力接近單原子不規(guī)則振動周期(100 fs)，空間分辨可達(dá)亞毫埃米級(小于10-4nm)，提供研究晶格系統(tǒng)結(jié)構(gòu)超快動力學(xué)的超快超高精度的研究手段。UED一般為透射式可觀測樣品內(nèi)部，樣品無需加工，無需復(fù)雜的理論模型，數(shù)據(jù)分析直接而準(zhǔn)確，試驗(yàn)周期短。

圖1 UED原理示意圖

本文采用UED技術(shù)揭示原子振動的時(shí)間尺度下，能量在電子和聲子系統(tǒng)內(nèi)的傳播過程及晶格形變規(guī)律，研究飛秒激光加工汽車用鋁材的超快超精細(xì)動力學(xué)過程，探討ps時(shí)間尺度和10-4nm空間尺度內(nèi)的加工機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

1.1 理論方法

1.1.1 電子衍射理論

電子運(yùn)動具有波粒二象性。高壓電子衍射試驗(yàn)中的電子速度可比擬光速，根據(jù)相對論對電子質(zhì)量進(jìn)行修正，公式[14]為

(1)

式中：mR為修正電子質(zhì)量；me為電子質(zhì)量，me=9.109 38×10-31kg；c為光速，c=2.997 92×108m/s；v為電子速度。

根據(jù)能量守恒定律[14]

eU+mec2=mRc2，

式中：e為電子電荷量，e=1.602 19×1019C；U為電子槍的電壓。

可得到電子的德布羅意(Debroglie)波長

(2)

式中：h為普朗克常數(shù)，h=6.626 07×10-34J·s。

晶體內(nèi)部原子按照一定的規(guī)則和周期性排列，晶格結(jié)構(gòu)本身長程有序。只要晶面間距與散射角、電子波長滿足布拉格條件，且晶胞基元結(jié)構(gòu)因子不為0，即不符合消光條件[15]，則出現(xiàn)衍射極大值(峰)。晶體衍射布拉格定律[14]

λe=2dhklsin(θ/2)，

(3)

式中：θ為反射電子波矢量的散射角，dhkl為晶面間距，λe為入射電子波長。

由于消光定律的篩選[16]，只有部分晶面系能出現(xiàn)特征衍射峰。由衍射峰強(qiáng)度和尺度可推導(dǎo)樣品內(nèi)部實(shí)際空間分布。對于多晶樣品圖樣，相當(dāng)于相應(yīng)單晶衍射斑繞零級中心旋轉(zhuǎn)1周，衍射圖樣為一系列同心環(huán)(衍射峰)，衍射峰半徑對應(yīng)相應(yīng)晶向的dhkl，環(huán)的寬度代表Miller系數(shù)相同的不同晶面距離變化是否均勻[17]。

1.1.2 衍射峰強(qiáng)度

通常采用原子偏離平衡位置的垂直均方位移u2(T)代表晶格系統(tǒng)的振幅，振幅與晶格系統(tǒng)溫度T相關(guān)。UED可把晶格振動反映在衍射圖像上，具有可觀測晶格振幅小于0.1 ps的時(shí)間分辨能力[18]。采用德拜-沃勒模型(Debye-Waller model)描述T對衍射強(qiáng)度的影響[13-14]：

(4)

式中：Is(T)、Is(0)分別為溫度T、0 K對應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度，s為對應(yīng)晶面的Miller系數(shù)。

由于與T相關(guān)，式(4)可改寫為

(5)

當(dāng)T大于θD時(shí)，B(T)與T近似呈線性關(guān)系，即

B(T)=b0+b1T，

式中b0、b1為常數(shù)。

因此可得衍射峰強(qiáng)度與T的關(guān)系[18]為

(7)

式中ΔT為晶格溫度變化。

由式(6)通過衍射峰強(qiáng)度的變化計(jì)算受激后T的變化。

1.1.3 衍射峰尺度

根據(jù)布拉格定律，衍射峰對應(yīng)的位置(衍射角)和dhkl相關(guān)。若晶格發(fā)生膨脹或收縮，晶格常數(shù)隨之變化，對應(yīng)的衍射峰位置平移，若晶格內(nèi)不同晶面(對應(yīng)不同Miller系數(shù))的面間距變化不一致，則不同衍射峰的平移也不一致。因此，可通過檢測各衍射峰的平移推斷晶格在各方向上的膨脹和收縮過程。峰的半高寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)是描述相同晶面中晶格變化是否均勻的重要參數(shù)。

UED理論依據(jù)電子束轟擊鋁材后衍射峰的平移、增寬及強(qiáng)度變化解析晶格結(jié)構(gòu)的變化。

1.2 試驗(yàn)裝置

采用中國科學(xué)院物理所綜合極端條件試驗(yàn)室的第3代UED試驗(yàn)裝置(電子能量為55 keV，Debroglie波長為0.050 9 ?，單發(fā)電子數(shù)小于1000)觀測飛秒激光燒蝕鋁的超快過程，其原理如圖2所示。

圖2 中國科學(xué)院物理所綜合極端條件試驗(yàn)室的第3代UED試驗(yàn)裝置原理圖[19]

電子槍加速器、靶材置于超高真空系統(tǒng)內(nèi)，機(jī)械泵、渦輪分子泵、鈦離子泵聯(lián)合抽氣2周后，腔內(nèi)氣壓小于1.33×10-7Pa。光源(熱源)采用飛秒激光系統(tǒng)(spectra-physics spitfire-ace 967 laser激光器，脈寬40 fs, 波長800 nm, 重頻為1 kHz)，單脈沖能量調(diào)至0.1 mJ，分束后一部分激光激發(fā)光陰極產(chǎn)生電子，經(jīng)55 kV高壓加速，穿過陽極小孔后用磁透鏡垂直聚焦于樣品表面。另一部分激光經(jīng)延時(shí)線后聚焦于鋁靶表面，鋁靶表面薄膜采用電子束加熱蒸鍍和磁控濺射方法制作，厚20～30 nm。通過延時(shí)線調(diào)整2束激光光程差，控制探測電子與泵浦激光的延遲時(shí)間，最小步長為0.015 ps，這一部分泵浦光能流密度約為2 mJ/cm2，光斑直徑為1 mm，模擬材料受熱過程。可實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨能力為500 fs 和結(jié)構(gòu)變化為0.1 nm的解析能力，獲得鋁材在加熱后約40 ps時(shí)間內(nèi)的衍射圖樣。采用具有較高量子探測效率的熒光屏承接電子衍射圖樣，經(jīng)過高增益的像增強(qiáng)器(microchannel plate，MCP)處理，MCP增益不小于105倍，具有 20 線/mm的空間分辨能力。最后電荷耦合器件捕獲增強(qiáng)衍射圖像，單張曝光時(shí)間為5～20 s，傳至計(jì)算機(jī)。

本系統(tǒng)具有單電子探測能力，可探測1個(gè)電子打到熒光屏上發(fā)出的微弱信號。采用自主研發(fā)的霍夫變換圖像處理及數(shù)據(jù)分析軟件實(shí)時(shí)處理圖像，通過尋找衍射圖案圓心確認(rèn)鋁的4個(gè)特征布拉格峰(衍射環(huán))，減掉背景后通過高斯函數(shù)擬合布拉格峰并獲得擬合峰的精確半徑。把不同延遲時(shí)間的布拉格峰強(qiáng)度(衍射環(huán))和擬合峰半徑均進(jìn)行擬合操作，得到布拉格峰強(qiáng)度和半徑的演化規(guī)律，推導(dǎo)晶格溫度和晶格常數(shù)變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

UED系統(tǒng)采集鋁衍射圖樣，采用霍夫變換圖像處理及數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行分析。飛秒激光系統(tǒng)加熱的鋁靶電子衍射圖樣如圖3a)所示，所包含的111-200-220-311環(huán)清晰可見。對某時(shí)刻的衍射圖樣的灰度圖進(jìn)行處理，提取強(qiáng)度-半徑數(shù)據(jù)及擬合效果如圖3b)所示,藍(lán)色圓點(diǎn)為原始數(shù)據(jù)。

圖3b)為尋找衍射圖案圓心，確認(rèn)鋁的111、200、220、311晶面的特征布拉格峰(衍射環(huán))，減掉無電子束背景，通過高斯強(qiáng)度擬合布拉格峰形狀，獲得對應(yīng)時(shí)刻布拉格峰(衍射環(huán))強(qiáng)度與擬合峰半徑。在UED系統(tǒng)拍照的過程中，通過霍夫變換圖像采集處理軟件實(shí)時(shí)擬合每張輸出衍射圖樣灰度圖，如圖3c)所示，可得到布拉格峰(環(huán))強(qiáng)度與半徑。

a)鋁多晶標(biāo)準(zhǔn)樣品靶 (無加熱)環(huán)電子束衍射 b)提取強(qiáng)度-半徑數(shù)據(jù)及擬合效果

飛秒激光(800 nm，0.1 mJ/脈沖)下鋁多晶標(biāo)準(zhǔn)樣品的電子衍射圖樣(小于40 ps)如圖4所示。通過軟件采集分析不同延遲時(shí)間下的圖像對應(yīng)的布拉格峰(環(huán))的強(qiáng)度與半徑，得到布拉格峰(環(huán))強(qiáng)度與半徑隨時(shí)間的演化規(guī)律。

圖4 UED系統(tǒng)采集鋁衍射圖樣(55 kV)

2.1 晶格加熱

探測電子脈沖到達(dá)靶材后0～40 ps內(nèi)的鋁111、200、220、311布拉格峰的強(qiáng)度變化。在延遲7 ps時(shí)靜態(tài)平臺區(qū)間結(jié)束，說明飛秒激光脈沖到達(dá)鋁靶表面，對鋁膜進(jìn)行加熱。激光脈沖的半高寬為40 fs，加熱過程迅速結(jié)束，之后熱量在電子-聲子系統(tǒng)中耦合并向外傳遞。鋁多晶樣品在飛秒激光加熱下0～40 ps內(nèi)衍射圖樣(55 kV)特征峰(環(huán))強(qiáng)度的時(shí)間演化如圖5所示。

圖5 鋁多晶樣品在飛秒激光加熱下衍射花樣特征峰(環(huán))強(qiáng)度的時(shí)間演化

由圖5可知：在激光加熱后，衍射強(qiáng)度開始振蕩，說明此時(shí)鋁膜處于非熱平衡狀態(tài)。由式(4)，可得鋁原子偏移量相對于s⊥(Miller常數(shù))晶面垂直均方位移

(7)

因此，某時(shí)刻各布拉格峰衍射強(qiáng)度的變化表征各晶面垂直均方位移的變化規(guī)律。

圖5b)～d)中其他峰對111峰強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理，可看出4個(gè)晶面方向衍射強(qiáng)度的總體規(guī)律基本一致，說明在激光加熱后很短時(shí)間內(nèi)，晶格系統(tǒng)內(nèi)熱擴(kuò)散過程在一定程度上屬于各向同性。一般情況下，晶格結(jié)構(gòu)的改變分為熱致與非熱致2種機(jī)制[20-21]。熱致改變中原子振動的偏移量只依賴于溫度梯度，與晶面無關(guān)，表現(xiàn)為各向同性，說明激光加熱后鋁膜內(nèi)部存在熱致改變。由歸一化強(qiáng)度小于1得到鋁的111峰強(qiáng)度及振幅最大，200峰其次，220與 311峰強(qiáng)度及其振蕩均最弱。歸一化系數(shù)的差異說明熱量在晶格內(nèi)部的傳遞也具有各向異性。鋁多晶是各種晶胞的混合排列，沒有明顯的方向性，多晶鋁膜熱傳遞并不會表現(xiàn)為嚴(yán)重的各向異性。因此，多晶體的熱致結(jié)構(gòu)變化，晶面垂直均方位移的變化只依賴溫度，與晶面無關(guān)。非熱傳遞機(jī)制一般造成各向異性。在激光加熱后極短時(shí)間內(nèi)，鋁膜內(nèi)部也應(yīng)該發(fā)生非熱致改變。非熱致結(jié)構(gòu)變化可能是由于800 nm激光脈沖激發(fā)了電子躍遷，電子能級和電子態(tài)改變，成鍵不穩(wěn)定，某些晶格鍵軟化。800 nm激光只能激發(fā)某些能級間的電子躍遷，受影響的能級只存在于某些晶面中的成鍵原子內(nèi)部。電子躍遷弱化原子間的相互作用，削弱了原子鍵，使材料電子帶結(jié)構(gòu)和聲子散射性質(zhì)發(fā)生巨大改變，阻礙了這些晶面上載熱聲子運(yùn)動(聲子軟化)，導(dǎo)致晶格某些方向的熱導(dǎo)率降低，晶格間熱傳遞具有方向性。通過布拉格峰強(qiáng)度演化可說明鋁膜內(nèi)的晶格改變同時(shí)存在熱致和非熱致2種機(jī)制。

采用脈寬大于1 ns的傳統(tǒng)長脈沖激光對汽車零部件進(jìn)行切割、焊接、打標(biāo)等加工時(shí)，能量首先被電子吸收，通過電子-聲子耦合作用將能量傳遞至晶格(時(shí)間為幾十ps)，隨后晶格間進(jìn)行熱傳遞，周圍晶格升溫，引起材料熔化、沸騰等相變。脈沖寬度遠(yuǎn)大于電聲耦合的時(shí)間，在脈沖持續(xù)過程中，有足夠的時(shí)間將能量由電子傳遞給晶格，并在晶格間擴(kuò)散，于是晶格溫度逐漸升高并不斷被激光加熱，零件表面發(fā)生幾ns甚至幾十ns的熔化及沸騰，對材料表面產(chǎn)生影響，即熱致燒蝕機(jī)制。持續(xù)整個(gè)脈寬的熔化及沸騰引起范圍較大且后果嚴(yán)重的重凝和濺射現(xiàn)象，在汽車零件表面留下不平整的、由液體填充形貌和周期結(jié)構(gòu)等的重凝區(qū)及飛濺液滴，嚴(yán)重影響零件加工質(zhì)量[9]。

飛秒激光脈寬小于1 ps甚至更短，脈沖作用時(shí)間遠(yuǎn)小于電子-聲子耦合的特征時(shí)間，激光脈沖作用完成時(shí)能量來不及傳遞給晶格，此時(shí)晶格仍是冷的。飛秒激光引起的材料解離發(fā)生在幾個(gè)ps內(nèi)，熱致效應(yīng)引起的熔化、沸騰等極少，可提高加工平整度。但飛秒激光引起材料解離的過程較復(fù)雜，比如庫倫爆炸和相爆炸[10]，及其他非熱致機(jī)制。因飛秒激光加工汽車用鋁材時(shí)廣泛存在非熱機(jī)制，可以有效利用以期提高加工質(zhì)量。

2.2 晶格膨脹

通過dhkl的變化研究晶格膨脹和收縮。根據(jù)式(3)，布拉格峰半徑的變化反映dhkl的變化，即衍射角縮小對應(yīng)dhkl增大。系統(tǒng)衍射角小于0.02 rad，dhkl相對變化(Δdhkl/dhkl)與衍射峰半徑r相對變化(Δr/r)大致相等，即

Δr/r=Δdhkl/dhkl，

則衍射半徑縮小對應(yīng)dhkl增加。同時(shí)，試驗(yàn)可解析的峰位相對變化小于5×10-5(與MCP單個(gè)像素對應(yīng))，鋁的晶格常數(shù)約為4 ?，則UED系統(tǒng)的空間分辨率為2×10-4?。

鋁多晶樣品在飛秒激光加熱0～100 ps下衍射圖樣特征峰(環(huán))半徑隨時(shí)間的演化如圖6所示。

a)111環(huán)半徑 b)200環(huán)半徑

由圖6可知：探測電子到達(dá)鋁膜30 ps內(nèi)各晶面布拉格峰半徑變化趨勢基本一致，證明了鋁多晶樣品內(nèi)晶格膨脹或收縮各向同性。圖6a)中111晶面的布拉格峰半徑(衍射角)變化曲線說明：激光泵浦后30 ps內(nèi)，晶格內(nèi)部非單純升溫或膨脹過程，而是類似阻尼振蕩的過程，是脈沖激光觸及鋁膜時(shí)引發(fā)相干聲子振蕩，產(chǎn)生機(jī)制是位移相干聲子激發(fā)[22-23]；鋁膜在獲得能量后，電子和晶格內(nèi)部的熱壓作用使晶格產(chǎn)生形變，這種形變在垂直于膜表面的法向方向引發(fā)相干聲波，即縱波，表現(xiàn)為各晶面的同步呼吸運(yùn)動，聲波在膜的2個(gè)表面相互反射并發(fā)生干涉，形成一維駐波，周期

t=2D/v0，

式中：D為薄膜厚度；v0為鋁膜聲速，v0≈6420 m/s。

由圖6測得晶格系統(tǒng)發(fā)生相干振動的周期約為6 ps，可得到D=20 nm，符合樣品制備時(shí)的理論值。

熱致過程中，晶格膨脹取決于溫度變化，各dhkl變化應(yīng)相同。圖6c)中，220晶面對應(yīng)聲子相干振幅最大，說明其dhkl變化最大，而200晶面的dhkl變化最小。這個(gè)現(xiàn)象不符合熱致過程的特點(diǎn)。因?yàn)槎嗑w是各種晶胞的混合排列，表現(xiàn)為各向同性，飛秒激光加熱后鋁膜內(nèi)部溫度梯度也表現(xiàn)為各向同性[10]，如果晶格沒有發(fā)生熔化，其結(jié)構(gòu)變化應(yīng)是均勻的熱膨脹過程，各dhkl的相對變化也應(yīng)相等，因此各衍射峰半徑的相對變化也應(yīng)相等，這與試驗(yàn)結(jié)果不符。從圖6中估算聲子振蕩的時(shí)間尺度約為幾十ps，而一般鋁晶格熱傳遞過程的尺度為500 ps～1 ns，與圖中結(jié)果不符[15]，因此說明非熱效應(yīng)產(chǎn)生作用。激光激發(fā)改變了某些晶向的原子鍵，該晶面上的聲子振動被抑制。因此，振蕩只能發(fā)生在加熱后10～100 ps內(nèi)。從圖6可知：隨時(shí)間的推移，聲子相干的振幅逐漸減小。最后晶格趨于熱平衡狀態(tài)，非熱效應(yīng)逐漸消失。

試驗(yàn)結(jié)果表明：飛秒激光加熱后，鋁膜晶格的改變不能簡單歸因于熱致或非熱致效應(yīng)，應(yīng)是熱致和非熱致動力學(xué)混合作用的結(jié)果。哪一種機(jī)制更明顯取決于激光能量、波長及脈寬等參數(shù)。如果挑選合適的飛秒激光參數(shù)對鋁制汽車零部件進(jìn)行切割、焊接、打標(biāo)等加工，可盡量減少熱效應(yīng)的影響，達(dá)到比長脈沖激光更為平整、缺陷更小的加工結(jié)果，提高加工質(zhì)量。

3 結(jié)語

通過超快電子衍射系統(tǒng)采集飛秒激光轟擊下汽車用鋁材的電子衍射時(shí)間分辨譜(小于40 ps)，采集鋁薄膜加熱后的晶格超快動力學(xué)圖像，在加熱后小于40 ps的極短時(shí)間內(nèi)，觀測鋁多晶聲子系統(tǒng)熱傳導(dǎo)耦合過程，發(fā)現(xiàn)晶格溫度、晶格結(jié)構(gòu)參數(shù)的演化符合阻尼振動規(guī)律，證明鋁膜的原子運(yùn)動(垂直均方位移)和晶格結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變?yōu)闊嶂潞头菬嶂滦?yīng)共同作用的結(jié)果，從晶格超快動力角度說明飛秒激光加工汽車用鋁材可提高加工質(zhì)量，為加工技術(shù)的改善提供理論及數(shù)據(jù)參考。