微秒聚焦激光剥蚀铁靶实验

激光具备好的单色性、方向性和相干性，可适应多种材料的加工和成型制造，在工业和军事等方面应用广泛。与传统加工手段相比，激光加工在切割、焊接、刻槽、打孔和打标等方面具有高效率、高能和易操作等优点。激光与材料的作用过程为，当辐照的激光强度超过材料的消融阈值时，材料中的自由电子将吸收的光子能量转变为晶格能，该转变过程需要经历零点几个至几十个皮秒时间，即电子－光子弛豫时间，对于脉宽超过弛豫时间的激光而言，晶格和光子在激光脉冲结束前就已经达到热平衡状态，如果此时材料的冷却速度比能量沉积速率低，则会导致材料热力学性质的改变，首先是材料表面温度升高，当超过材料的熔点后，部分材料熔化，然后材料吸收后续的激光能量，温度升至沸点，发生汽化。汽化物吸收激光能量后，温度继续上升，形成等离子体，此过程可能会伴随熔融物质的喷溅。

实际上，激光与材料相互作用的机理受多因素影响，包括材料的性质(熔点、沸点、吸收率、反射率等)，消融环境(真空、气体或液体) 和激光参数(能量、脉宽、脉冲频率等)。而激光脉宽由于直接影响消融效率和消融物理机制而成为至关重要的参数之一。

一、实验目的

(1) 掌握对激光光束进行较为精准的准直、聚焦、定位等操作，将激光光束调制为一束能量密度高且光斑半径小的光束。

(2) 了解对微秒脉宽激光脉冲聚焦消融靶材后形成凹坑形貌评价的手段和方法。

二、主要实验仪器

自由运转钬激光器，红外凸透镜，体视显微镜，铁片若干，激光能量计，光探测器，示波器。

三、实验原理

激光加工精度由聚焦激光消融靶材形成凹坑的直径D决定，直径越小，加工精度越高。对于波长λ的激光，在光强1/e2处最小聚焦尺寸为:

其中，ω是光斑半径;f是透镜焦距;d是聚焦前的光束半径;M2是光束衍射倍率因子，该参数衡量激光束空域质量，对于TEM00模式的高斯光束，M2=1。使用激光的能量通量Φ(单位体积内的激光能量) 代替激光能量E，即:

假定激光束是高斯光束，距离光束中心r处的通量可表示为:

则凹坑直径D可由以下公式表达:

式中，Φth为消融阈值。由此可见，除了光强，靶材的消融阈值和光束的聚焦效果也会影响凹坑直径，凹坑的直径随聚焦半径的增加而增加。如果光斑半径ω和消融阈值一定，能量通量影响凹坑直径大小。激光脉宽的改变会导致能量密度发生变化，也会使Φ发生变化，因此，激光脉宽会影响凹坑直径大小，脉宽增大，能量密度降低，能量通量也随之降低，最终导致D值减小。

激光作用靶材后导致其消融的直接原因是热作用。激光辐照靶材后，部分激光被反射，剩余的激光在几个纳米厚的一层靶材内(吸收深度) 被吸收，由于激光束光斑半径在微米和毫米量级，远大于吸收深度，因此可认为热传导是沿吸收深度的一维方向，移动边界的热传导方程可表示为:

式中，ρ和cp分别为靶材的密度和热容，T是温度，K是热导率，us是消融速率，q·是热源项。方程(34-5) 的边界条件为:

Ta是靶材初始温度，可用室温表示。吸收热量的是靶材表层，而靶材底层未受影响，ΔHV表示汽化潜热。

方程(34-5) 中的热源项可用下式表示:

式中，R是靶材表面的反射率，α是吸收系数，IL是激光能量密度。对于高斯光束的激光脉冲，IL表示为:

式中，Imax为激光脉冲的峰值能量:

上式中，βL= 2 ，tp为激光脉宽，F为激光能量密度，是与激光能量有关的常数。上述公式表明，影响靶材消融的因素除了靶材的物理性质，还有激光的光学特性。靶材的物理性质随温度的变化而改变，光学特性则受温度和波长影响。

激光辐照将使靶材升温，随后发生的汽化和相爆炸导致靶材的蚀除，由于靶材物理性质参数随温度变化，所以蚀除速度us是动态的，而非定值。us由下式给出:

上式，Rg是气体常数;ρ1和T1分别为汽化层的密度和温度，由以下公式给出:

其中，m0=M，γV为比热比，M是马赫数;Ts和ρs分别是靶材表面的温度和密度;erf(m0)为误差，可表示为

不同靶材之间的物理特性存在差异，并且靶材的物理参数随着消融的进行而动态变化，激光脉宽和能量密度的变化也会影响消融过程，这些均决定了消融过程的复杂性，导致脉冲激光消融靶材的机理不明确，而脉冲钬激光脉宽对靶材消融效果的影响尚未见诸报道。基于此，本章实验研究脉宽对聚焦激光烧蚀靶材的影响，其结果可为毫秒脉宽激光加工提供实践支持。

四、实验内容

1． 激光能量、脉宽、工作频率参数测量

实验前通过光功率能量计(以色列Ophir公司，表头NOVAII，探测器PE50BF－C)和光电探测器(PV－3，波兰Vigo公司，响应时间τ ＜15ns) 分别对不同电源参数下的激光能量和脉宽进行测量，测量能量时光纤末端距探测器端面5mm左右，测量时间不超过10s。在激光聚焦之前让激光辐射在一块铁片上，光电探测器与铁片成一定夹角放置并探测从铁片端面的部分散射光，转化为电信号后输入示波器准确记录脉冲包络并进行脉冲宽度测试。激光工作频率可从功率/能量计表头直接读出。

2． 聚焦激光焦点定位

为了实现打孔的精确定位，可以利用调整架对靶材位置进行微调，使激光聚焦在靶材表面，操作步骤如下。

(1) 调制好光路，在三维调整架上装靶材并试探性打孔。

(2) 调节激光器电源参数，降低输出的激光能量并调节支架，使得聚焦激光刚好能在靶材上打孔，而沿光轴方向前后移动靶材后均不能打孔，则可定位聚焦点。

3． 聚焦激光剥蚀靶材

由于2．1μm波长钬激光在普通的玻璃材料制作凸透镜中传输时损耗较大，因此不能用普通K9玻璃材料制作凸透镜聚焦钬激光脉冲。另外，作为增益介质的固体棒直径为10mm，激光器谐振腔端面输出的光斑直径约为8mm左右。选择直径15mm、焦距15mm的氟化钙材料制作双凸透镜聚焦脉冲激光。搭建如图34－1所示的实验平台。频率5Hz的脉冲钬激光经氟化钙透镜聚焦在靶材表面，持续10个脉冲，每组参数的实验重复5次。靶材为铸铁片(长×宽×厚为15mm×15mm×2mm)，铁片固定在三维调整支架上，可三维移动控制。

图34－1 聚焦钬激光脉冲剥蚀靶材

4． 激光能量与脉冲宽度的选择

当激光器泵浦电源泵浦脉冲宽度一定时，改变泵浦电压获得脉冲宽度一定但激光参量不同;重复测试几组脉冲宽度一定但激光能量不同的激光剥蚀不同铁片实验。

5． 激光剥蚀后凹坑形貌检测

经钬激光脉冲剥蚀后的铁片放在体视显微镜(镜头Leica M205A，摄像系统Leica DFC550)下，主要观察凹坑表面剥蚀物、凹坑形貌、凹坑深度及凹坑表面直径等。

五、数据处理

1． 不同泵浦脉冲宽度条件下激光输出能量(表34－1)

表34-1 不同泵浦脉冲宽度条件下激光输出能量数据

2． 不同泵浦电压和泵浦脉冲宽度条件下激光脉冲宽度(表34－2)

表34-2 不同泵浦电压和泵浦脉冲宽度条件下激光脉冲宽度数据

注:泵浦电压范围600 ～1000V，泵浦脉冲宽度0．2 ～2ms。

3． 不同激光参数组合(能量/脉宽) 条件下凹坑形貌参数(表34－3)

表34-3 不同激光参数组合(能量/脉宽) 条件下凹坑形貌数据

六、注意事项

(1) 严格按激光器操作流程启动和关闭激光系统。

(2) 严禁聚焦激光状态下测量激光能量/功率、脉冲宽度等激光参数。

(3) 严禁激光直接作用在光电探测器表面上。

(4) 测量激光能量/功率时注意激光作用的个数及时间，防止热效应对探头的不可逆性损伤。

七、思考题

(1) 聚焦激光剥蚀固体靶材的物理机制是什么?

(2) 如何快速、准确测量激光剥蚀后凹坑形貌及凹坑相关参数?