超短脈沖激光燒蝕技術應用探究

王耀德+++李昌立

摘 要：近年來隨著超短脈沖激光燒蝕技術的發展，該技術被廣泛應用于工業領域。短脈沖激光與物質相互作用時間介于納秒與飛秒之間，其峰值功率可達兆瓦級，因此在加工中可應用于高精度、高硬材料的精細加工上，同時也可以實現材料的三維加工，該方式稱為“冷”加工。文章旨在介紹超短脈沖技術的應用研究，使人們對該技術有一定的宏觀認識。

關鍵詞：超短脈沖；激光燒蝕；應用探究；宏觀認識

1 短脈沖激光器與金屬相互作用理論

短脈沖誘導燒蝕材料的過程的建立需要一定的時間，并且與激光強度有直接關系。當脈寬給定時，只有當激光場的強度超過一定值時，形成的等離子體才能發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。根據文獻指出，脈沖寬度從連續到幾十個皮秒范圍內，燒蝕過程為離子雪崩過程，開始于內部電子。通過對超短脈寬燒蝕閾值的研究發現，當偏離了脈沖寬度平方根法則的時候，能量在很大范圍內變動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程。

當前人們于超短脈沖激光燒蝕物質的機理和研究還沒有獲得完全的認知，研究的模型是將物質看做一個總體的系統去考慮，只有達到了該物質的沸點或熔點時，使得物質蒸發或者熔化而使材料被去除。應用傅里葉傳熱模型對上述過程可進行具體的描述，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膜的作用過程。原因是由于載流子的特征尺寸與膜層的厚度相當，同時其特征時間與傳輸能量的時間接近。

當超短脈沖激光與金屬材料作用發生激光燒蝕時，材料的表面的電子吸收激光的能量后變為非平衡狀態，發生了相互制約的現象。造成電子爆炸運動速度接近于費米速率。同時熱電子通過碰撞作用使得內部電子獲得加熱，之后參與碰撞的電子達到短暫的呈費米分布的熱平衡態。電子與晶格通過碰撞耦合效應，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：實驗方法測定，理論計算分析和數值模擬。實驗方法能夠準確的對后兩種方法進行檢驗。但實驗方法需要的成本巨大。理論計算分析和數值模擬方法是一種對于研究激光燒蝕問題的非常有的方法，其理論分析過程非常嚴謹，但是也存在一定的邊界條件限制，需要進行相應的假設，處理問題的范圍有限。但其可低成本、高精度模擬短脈沖燒蝕機理內的復雜問題，一直是各大科研院校應用的最廣泛的方法。若條件允許會采用實驗方法進行驗證，不斷修正算法達到近乎理想的模擬及精密數值計算水平。

3 短脈沖激光燒蝕應用探究

短脈沖激光燒蝕技術應用十分廣泛，幾乎涉及到所有工業加工制造領域。光信息存儲應用方面，飛秒激光燒蝕技術現在可以在透明材料介質中，實現三維光存儲技術。通過利用1064nm和248nm組合脈沖激光器制備的銀納米顆粒，可應用與表面增強拉曼散射光譜技術中，可以探討這兩種Ag納米顆粒與探針對羥基苯甲酸的吸附行為。

納皮秒激光感生擊穿光譜技術（LIBS）可應用與測量土壤中有害重金屬含量。激光燒蝕固體進樣法，可以精密的測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。

在海洋地質研究中，電耦合等離子體質譜與激光燒蝕技術的聯用探查海底礦藏含量或礦脈中也獲得了巨大的應用。航空領域中，應用激光燒蝕技術，產生的推力，已經實現了激光微型噴射器的研制，并已應用于微型衛星的軌道定向制動中。在核電站領域中，激光燒蝕技術廣泛應用于內熱控隔層中等離子體表面器件上的除氚的碳沉積過程

4 結束語

通過對短脈沖激光技術的探究，介紹了超短脈沖激光器與金屬相互作用的經典理論和作用過程，以及超短脈沖激光燒蝕技術在多種領域內的應用范圍，論證了未來超短脈沖燒蝕技術具有非常好的應用前景。

參考文獻

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作者簡介：王耀德，單位：長春理工大學 理學院，碩士研究生，主要研究方向：短脈沖激光燒蝕技術。

*通訊作者：李昌立，單位：長春理工大學 理學院，博士研究生，職稱：博士生導師，教授。