激光具備好的單色性、方向性和相干性，可適應(yīng)多種材料的加工和成型制造，在工業(yè)和軍事等方面應(yīng)用廣泛。與傳統(tǒng)加工手段相比，激光加工在切割、焊接、刻槽、打孔和打標(biāo)等方面具有高效率、高能和易操作等優(yōu)點。激光與材料的作用過程為，當(dāng)輻照的激光強度超過材料的消融閾值時，材料中的自由電子將吸收的光子能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц衲埽撧D(zhuǎn)變過程需要經(jīng)歷零點幾個至幾十個皮秒時間，即電子－光子弛豫時間，對于脈寬超過弛豫時間的激光而言，晶格和光子在激光脈沖結(jié)束前就已經(jīng)達到熱平衡狀態(tài)，如果此時材料的冷卻速度比能量沉積速率低，則會導(dǎo)致材料熱力學(xué)性質(zhì)的改變，首先是材料表面溫度升高，當(dāng)超過材料的熔點后，部分材料熔化，然后材料吸收后續(xù)的激光能量，溫度升至沸點，發(fā)生汽化。汽化物吸收激光能量后，溫度繼續(xù)上升，形成等離子體，此過程可能會伴隨熔融物質(zhì)的噴濺。

實際上，激光與材料相互作用的機理受多因素影響，包括材料的性質(zhì)(熔點、沸點、吸收率、反射率等)，消融環(huán)境(真空、氣體或液體) 和激光參數(shù)(能量、脈寬、脈沖頻率等)。而激光脈寬由于直接影響消融效率和消融物理機制而成為至關(guān)重要的參數(shù)之一。

一、實驗?zāi)康?/p>

(1) 掌握對激光光束進行較為精準(zhǔn)的準(zhǔn)直、聚焦、定位等操作，將激光光束調(diào)制為一束能量密度高且光斑半徑小的光束。

(2) 了解對微秒脈寬激光脈沖聚焦消融靶材后形成凹坑形貌評價的手段和方法。

二、主要實驗儀器

自由運轉(zhuǎn)鈥激光器，紅外凸透鏡，體視顯微鏡，鐵片若干，激光能量計，光探測器，示波器。

三、實驗原理

激光加工精度由聚焦激光消融靶材形成凹坑的直徑D決定，直徑越小，加工精度越高。對于波長λ的激光，在光強1/e2處最小聚焦尺寸為:

其中，ω是光斑半徑;f是透鏡焦距;d是聚焦前的光束半徑;M2是光束衍射倍率因子，該參數(shù)衡量激光束空域質(zhì)量，對于TEM00模式的高斯光束，M2=1。使用激光的能量通量Φ(單位體積內(nèi)的激光能量) 代替激光能量E，即:

假定激光束是高斯光束，距離光束中心r處的通量可表示為:

則凹坑直徑D可由以下公式表達:

式中，Φth為消融閾值。由此可見，除了光強，靶材的消融閾值和光束的聚焦效果也會影響凹坑直徑，凹坑的直徑隨聚焦半徑的增加而增加。如果光斑半徑ω和消融閾值一定，能量通量影響凹坑直徑大小。激光脈寬的改變會導(dǎo)致能量密度發(fā)生變化，也會使Φ發(fā)生變化，因此，激光脈寬會影響凹坑直徑大小，脈寬增大，能量密度降低，能量通量也隨之降低，最終導(dǎo)致D值減小。

激光作用靶材后導(dǎo)致其消融的直接原因是熱作用。激光輻照靶材后，部分激光被反射，剩余的激光在幾個納米厚的一層靶材內(nèi)(吸收深度) 被吸收，由于激光束光斑半徑在微米和毫米量級，遠大于吸收深度，因此可認為熱傳導(dǎo)是沿吸收深度的一維方向，移動邊界的熱傳導(dǎo)方程可表示為:

式中，ρ和cp分別為靶材的密度和熱容，T是溫度，K是熱導(dǎo)率，us是消融速率，q·是熱源項。方程(34-5) 的邊界條件為:

Ta是靶材初始溫度，可用室溫表示。吸收熱量的是靶材表層，而靶材底層未受影響，ΔHV表示汽化潛熱。

方程(34-5) 中的熱源項可用下式表示:

式中，R是靶材表面的反射率，α是吸收系數(shù)，IL是激光能量密度。對于高斯光束的激光脈沖，IL表示為:

式中，Imax為激光脈沖的峰值能量:

上式中，βL= 2 ，tp為激光脈寬，F(xiàn)為激光能量密度，是與激光能量有關(guān)的常數(shù)。上述公式表明，影響靶材消融的因素除了靶材的物理性質(zhì)，還有激光的光學(xué)特性。靶材的物理性質(zhì)隨溫度的變化而改變，光學(xué)特性則受溫度和波長影響。

激光輻照將使靶材升溫，隨后發(fā)生的汽化和相爆炸導(dǎo)致靶材的蝕除，由于靶材物理性質(zhì)參數(shù)隨溫度變化，所以蝕除速度us是動態(tài)的，而非定值。us由下式給出:

上式，Rg是氣體常數(shù);ρ1和T1分別為汽化層的密度和溫度，由以下公式給出:

其中，m0=M，γV為比熱比，M是馬赫數(shù);Ts和ρs分別是靶材表面的溫度和密度;erf(m0)為誤差，可表示為

不同靶材之間的物理特性存在差異，并且靶材的物理參數(shù)隨著消融的進行而動態(tài)變化，激光脈寬和能量密度的變化也會影響消融過程，這些均決定了消融過程的復(fù)雜性，導(dǎo)致脈沖激光消融靶材的機理不明確，而脈沖鈥激光脈寬對靶材消融效果的影響尚未見諸報道?；诖?，本章實驗研究脈寬對聚焦激光燒蝕靶材的影響，其結(jié)果可為毫秒脈寬激光加工提供實踐支持。

四、實驗內(nèi)容

1． 激光能量、脈寬、工作頻率參數(shù)測量

實驗前通過光功率能量計(以色列Ophir公司，表頭NOVAII，探測器PE50BF－C)和光電探測器(PV－3，波蘭Vigo公司，響應(yīng)時間τ ＜15ns) 分別對不同電源參數(shù)下的激光能量和脈寬進行測量，測量能量時光纖末端距探測器端面5mm左右，測量時間不超過10s。在激光聚焦之前讓激光輻射在一塊鐵片上，光電探測器與鐵片成一定夾角放置并探測從鐵片端面的部分散射光，轉(zhuǎn)化為電信號后輸入示波器準(zhǔn)確記錄脈沖包絡(luò)并進行脈沖寬度測試。激光工作頻率可從功率/能量計表頭直接讀出。

2． 聚焦激光焦點定位

為了實現(xiàn)打孔的精確定位，可以利用調(diào)整架對靶材位置進行微調(diào)，使激光聚焦在靶材表面，操作步驟如下。

(1) 調(diào)制好光路，在三維調(diào)整架上裝靶材并試探性打孔。

(2) 調(diào)節(jié)激光器電源參數(shù)，降低輸出的激光能量并調(diào)節(jié)支架，使得聚焦激光剛好能在靶材上打孔，而沿光軸方向前后移動靶材后均不能打孔，則可定位聚焦點。

3． 聚焦激光剝蝕靶材

由于2．1μm波長鈥激光在普通的玻璃材料制作凸透鏡中傳輸時損耗較大，因此不能用普通K9玻璃材料制作凸透鏡聚焦鈥激光脈沖。另外，作為增益介質(zhì)的固體棒直徑為10mm，激光器諧振腔端面輸出的光斑直徑約為8mm左右。選擇直徑15mm、焦距15mm的氟化鈣材料制作雙凸透鏡聚焦脈沖激光。搭建如圖34－1所示的實驗平臺。頻率5Hz的脈沖鈥激光經(jīng)氟化鈣透鏡聚焦在靶材表面，持續(xù)10個脈沖，每組參數(shù)的實驗重復(fù)5次。靶材為鑄鐵片(長×寬×厚為15mm×15mm×2mm)，鐵片固定在三維調(diào)整支架上，可三維移動控制。

圖34－1 聚焦鈥激光脈沖剝蝕靶材

4． 激光能量與脈沖寬度的選擇

當(dāng)激光器泵浦電源泵浦脈沖寬度一定時，改變泵浦電壓獲得脈沖寬度一定但激光參量不同;重復(fù)測試幾組脈沖寬度一定但激光能量不同的激光剝蝕不同鐵片實驗。

5． 激光剝蝕后凹坑形貌檢測

經(jīng)鈥激光脈沖剝蝕后的鐵片放在體視顯微鏡(鏡頭Leica M205A，攝像系統(tǒng)Leica DFC550)下，主要觀察凹坑表面剝蝕物、凹坑形貌、凹坑深度及凹坑表面直徑等。

五、數(shù)據(jù)處理

1． 不同泵浦脈沖寬度條件下激光輸出能量(表34－1)

表34-1 不同泵浦脈沖寬度條件下激光輸出能量數(shù)據(jù)

2． 不同泵浦電壓和泵浦脈沖寬度條件下激光脈沖寬度(表34－2)

表34-2 不同泵浦電壓和泵浦脈沖寬度條件下激光脈沖寬度數(shù)據(jù)

注:泵浦電壓范圍600 ～1000V，泵浦脈沖寬度0．2 ～2ms。

3． 不同激光參數(shù)組合(能量/脈寬) 條件下凹坑形貌參數(shù)(表34－3)

表34-3 不同激光參數(shù)組合(能量/脈寬) 條件下凹坑形貌數(shù)據(jù)

六、注意事項

(1) 嚴格按激光器操作流程啟動和關(guān)閉激光系統(tǒng)。

(2) 嚴禁聚焦激光狀態(tài)下測量激光能量/功率、脈沖寬度等激光參數(shù)。

(3) 嚴禁激光直接作用在光電探測器表面上。

(4) 測量激光能量/功率時注意激光作用的個數(shù)及時間，防止熱效應(yīng)對探頭的不可逆性損傷。

七、思考題

(1) 聚焦激光剝蝕固體靶材的物理機制是什么?

(2) 如何快速、準(zhǔn)確測量激光剝蝕后凹坑形貌及凹坑相關(guān)參數(shù)?