長脈沖激光與金屬相互作用的影響

龐博

摘 要 文章主要研究對象為長脈沖激光和金屬材料，首先分析了長脈沖激光可能對金屬產(chǎn)生的影響，然后通過理論與實際相結(jié)合的方式，又針對長脈沖激光對物質(zhì)的作用展開了探究，希望文中討論的內(nèi)容可以在某些方面給相關(guān)人員以啟發(fā)。

【關(guān)鍵詞】長脈沖激光 金屬 相互作用

長脈沖激光和金屬之間發(fā)生相互作用后，產(chǎn)生的結(jié)果之一便是金屬材料被激光破壞，能夠影響相互作用過程及結(jié)果的因素不僅局限于激光和金屬材料特性這兩個方面，也會受到外部環(huán)境的影響。以波長、脈寬、重復(fù)率為代表的與長脈沖激光特性密切相關(guān)的因素，都會對相互作用的過程產(chǎn)生影響，針對其所開展的研究工作，也具有一定的現(xiàn)實意義。

1 長脈沖激光對金屬的影響

1.1 熱物理性質(zhì)

利用激光束對向同性均勻物體進行加熱，可以通過對激光能量進行吸收以及熱擴散的方式，使得物體邊界發(fā)生相應(yīng)的熱流運動，各處溫度自然也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化。物體形狀、邊界條件、熱物理性質(zhì)和激光加載條件，對物體溫度場的變化具有決定性作用。針對激光加熱所進行的計算，需要應(yīng)用到物體熱導(dǎo)率、比熱容以及熱擴散率，另外，在變化過程中還需要對潛熱、氣化溫度和熔化溫度的數(shù)值加以考慮，這主要是因為上述內(nèi)容均與物體溫度之間存在著密切的聯(lián)系。

1.2 物體溫度場的變化

想要對物體溫度場加以確定，關(guān)鍵在于明確激光加載的條件，一般來說，體熱源或面熱源所對應(yīng)數(shù)值應(yīng)為被吸收光強或是激光能量，當(dāng)然，在特定條件下，還會有表面輻射損失等其他冷卻或熱源條件存在于邊界之上。對不同介質(zhì)而言，想要實現(xiàn)界面熱接觸的條件較為復(fù)雜，在理想狀況下，界面兩側(cè)所對應(yīng)溫度以及熱流量數(shù)值應(yīng)當(dāng)相同，但是熱接觸面兩側(cè)溫度在大多數(shù)情況下都會出現(xiàn)間斷的問題，此時對熱阻進行計算應(yīng)用的公式則是：對溫度差通關(guān)熱量值進行除法處理，最終得出的商數(shù)便是該界面的熱阻。一旦物體某處與熔點數(shù)值持平，短時間內(nèi)溫度不再上升，待所積累熱能能夠滿足該處熔融潛熱所需，才會進一步熔化，成為固態(tài)液體。

2 長脈沖激光對物質(zhì)的作用

2.1 吸收并轉(zhuǎn)化激光能量

簡單來說，物體吸收激光的過程，就是物體內(nèi)部振子、電荷和激光電磁場間相互作用的過程，但從本質(zhì)上來說，這一過程則更為復(fù)雜，需要涉及到對吸收光譜進行測量的工作。在固體材料中，若激光能量是在趨膚深度被吸收的，那么通過對這部分能量的轉(zhuǎn)化，束縛電子或自由電子所對應(yīng)平均動能的數(shù)值便會有所增加，其中大部分能量會通過電子和離子間的相互作用，再次轉(zhuǎn)化成為材料表面熱能，當(dāng)然，除此之外還存在著以粒子發(fā)射效應(yīng)為代表的其他轉(zhuǎn)化機制，需要引起注意。

2.2 金屬受溫度、表面狀況的影響

2.2.1 溫度

在諸多與金屬所具有光學(xué)特性存在內(nèi)在聯(lián)系的因素中，具有代表性的應(yīng)為電導(dǎo)率，以直流電導(dǎo)率數(shù)據(jù)為參考，能夠得出吸收率以及反射率在理論上的數(shù)值，由于直流電導(dǎo)率和溫度之間存在著明顯的聯(lián)系，因此，金屬所具有光學(xué)特性和溫度之間也存在著一定的聯(lián)系。處于熔化狀態(tài)下的金屬，所具有電阻率會呈現(xiàn)出明顯上升的趨勢，液態(tài)金屬所對應(yīng)電阻率，在特定情況下可達處于熔點溫度的固態(tài)電阻率的兩倍或以上，也就是說，熔點處反射率下降、吸收系數(shù)上升。另外，隨著溫度的線性上升，液態(tài)金屬所具有電阻率也會逐漸上升，需要引起注意的是，以Bi為代表的金屬，由于存在反常熱膨脹的性質(zhì)，因此，電阻率在熔融過程中會出現(xiàn)突降的情況，且受溫度影響較小。以1064nm光束為主體，針對光滑金屬表面所具有吸收率和溫度間的關(guān)系展開研究，結(jié)果如圖1所示。

2.2.2 表面狀況

若金屬樣品表面存在濺射、蒸鍍等光學(xué)薄膜，并在真空狀態(tài)下時，無論是吸收率還是反射率受溫度變化的影響與實驗值間均存在高度的統(tǒng)一。但是實驗樣品、工件往往無法不具備此種制備，材料表面的缺陷、雜質(zhì)、粗糙度等因素都會在一定程度上對其所具有的激光反射率產(chǎn)生影響，進而對能量耦合產(chǎn)生影響。對生物體、復(fù)合材料等而言，其表面情況則更加復(fù)雜，由于該類材料無法實現(xiàn)與金屬物品相同的精密制造，因此，漫反射作用相對明顯，在對這部分內(nèi)容進行研究時，常用的研究法為積分球方法。金屬表面較易受激光加熱影響出現(xiàn)氧化的情況，而氧化層所對應(yīng)結(jié)構(gòu)、厚度、消光系數(shù)以及折射系數(shù)，對金屬激光吸收率而言均具有決定性作用，若氧化層厚度處于Δ-λ/2nˊ這一范圍，那么發(fā)生在氧化層上、下表面之間的干涉效應(yīng)，會使得吸收率出現(xiàn)大幅度的增加。

3 結(jié)論

通過對上文所敘述的內(nèi)容進行分析能夠看出，長脈沖激光和金屬間的相互作用，可以被視為金屬物體對激光進行吸收，但是從本質(zhì)上來說，這一過程極為復(fù)雜，需要掌握物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、光發(fā)射以及吸收的特征。文章主要以物質(zhì)吸收、轉(zhuǎn)化以及反射激光時的基本機制作為切入點，對長脈沖激光和金屬之間存在的相互作用展開了分析，希望今后在開展激光加工、打標(biāo)等工作時，相關(guān)人員能夠明確激光和物質(zhì)間存在的關(guān)聯(lián)與相互作用，保證工作效率的提高。

參考文獻

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[2]張一鳴.長脈沖激光致金屬熔融噴濺的理論研究[D].南京理工大學(xué)，2013.

工作單位

長春理工大學(xué) 吉林省長春市 130023