用超短脈沖激光實現冷消融、冷切割和冷鉆孔，是二十多年來人們一直期望能夠在工業應用中實現的一個愿景。在過去十年間進行的一些早期實驗中，人們用鈦藍寶石放大器產生超快激光，這些實驗已經證明了超短激光脈沖在精密機械加工領域所擁有的巨大潛能。但是對于精密機械加工而言，到底多短的脈沖才能滿足精密加工的要求呢？當激光脈沖作用到材料上時會發生怎樣的反應？對脈沖與材料的作用時間范圍有何要求？
作用原理、作用時間、能量密度
以金屬對激光脈沖的吸收為例，其從根本上說是能量從激光脈沖轉移到金屬材料的電子的一個能量轉移過程。對于持續時間為納秒級的脈沖而言，電子與所處晶格之間會發生一個溫度平衡過程，并且最終開始融化材料，直到部分蒸發。
在這個過程中，脈沖越短，能量轉移到電子的速度越快。在理想條件下，如果脈沖足夠短，那么在電子與晶格之間便沒有足夠的時間產生溫度平衡。接下來，“熱電子”（相對于冷晶格而言）有兩種方式與晶格作用：在一個特征時間后，來自電子的熱量開始向周圍的晶格擴散。這種電子-聲子弛豫時間是物質的一種屬性，其典型值為1~10ps。在大致相同的時間范圍內，但稍有些延遲，熱電子和晶格之間發生了突然的能量轉移，從而導致相位爆炸，即激活體的蒸發。
從上述解釋可以得出以下兩個基本結論：
1、激光脈沖的持續時間必須足夠短，以防止電子與晶格之間發生溫度平衡過程。對于金屬和大多數其他材料而言，均要求脈沖持續時間在1~10ps之間甚至更短。
2、由于在熱擴散和消融之間有一個時間延遲，因此始終會存有殘余熱量，即使是在脈沖最短的情況下。
因此，冷加工必須定義為在最小的熱擴散情況下進行加工，這要求脈沖持續時間在1~10ps之間甚至更短。
雖然皮秒/飛秒激光脈沖較短的持續時間是冷加工的一個必要條件，但是光有足夠短的脈沖還遠遠不夠。如果熱電子因為過高的激光能量密度而被“過度加熱”，那么熱擴散效應將較為明顯，整個加工過程則會轉變為熱過程。一般來講，大約1J/cm2的能量密度，是用皮秒/飛秒激光脈沖進行消融加工、而不會產生能夠測量得到的熱效應的最佳能量臨界點，即此時具有最佳的低熱穿透深度。
線性吸收與非線性吸收
然而要實現最佳能量臨界點并非易事。除了上述提到的決定熱影響的因素外，光學穿透深度決定了激光脈沖的哪個部分在什么深度被吸收。
對于溫和消融而言，光穿透深度應該在1μm的區域甚至更淺，這主要有三個原因：
1、光穿透深度決定消融深度。深度太大的消融將不再被視為溫和消融，因為其將導致粗糙的表面和邊緣，特別是對于硬而脆的材料而言，還會有微裂紋產生。
2、若光穿透深度過大，消融過程將變得效率低下，因為大多數激光脈沖可能不能被吸收，能量浪費較大。
3、針對基底的選擇性消融材料（如薄膜太陽能電池的絕緣體上的薄膜刻圖），光的穿透深度過大可能造成基底材料的損害。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
