一种激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法

摘要

本发明提供了一种激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法，将等离子体吸收率的测量转化为对激光烧蚀所得微凹腔形貌尺寸的测量。首先，在平整光洁的靶材表面，采用特定脉冲激光，加工一系列微凹腔，在加工过程中均匀变化激光能量密度；随后，通过三维形貌仪测得微凹腔的直径和深度，通过直径-激光能量密度曲线求得激光烧蚀阈值F

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法，特指一种通过测量微凹腔 尺寸来测量激光等离子体吸收率的方法。

背景技术

自激光器问世以来，激光被广泛应用于各行各业。其中，激光与各类材料相互作用特性 和规律一直是众多学者的研究热点。当高功率激光束入射到靶材表面时，靶材表面吸收激光 能量，温度迅速上升，达到沸点，气化现象突然加剧，随着温度的继续上升，气化物质继续 吸收激光能量完成发生电离，继而形成高温高密度的等离子体。高温高密度等离子体对入射 激光有强烈的吸收作用。对于大多数激光加工而言，这种吸收效应会阻止部分激光能量到达 靶表面，对激光束与靶表面的能量耦合具有屏蔽作用，降低其加工效率，甚至导致加工失败。 准确可靠测量出等离子对激光的吸收率，对于光与物质相互作用规律的研究、激光加工技术 的发展和应用都至关重要。

然而，等离子体与激光相互作用是一个非常复杂的过程，不同激光参数(如波长、脉宽、 功率等)、靶材、环境气体都会影响激光与靶材的相互作用，进一步影响等离子体对激光的 吸收率。同时等离子体对激光的吸收是一个瞬间过程。上述因素，导致获得准确的等离子体 吸收率，具有极大难度。为解决上述难题，我们发明了一种简易可行的激光烧蚀过程中等离 子体吸收率实验测量方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，而提供一种简单、可靠、准确的激光等离 子体吸收率的测量方法。

本发明的技术方案是：一种激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法，包括以下步骤：

S1、选取靶材并平整光洁所述靶材的表面，使所述靶材表面的表面粗糙度Ra为 0.05-0.1μm；

S2、采用脉冲激光在所述靶材表面烧蚀加工一系列微凹腔，在加工过程中，激光能量密 度F规则增大或减小；

S3、用三维形貌分析仪测量所述S2中烧蚀获得的所述微凹腔直径D和深度h；

S4、在横坐标为激光能量密度F和纵坐标为凹腔直径D的二维坐标系中，绘制所述能量 密度F及对应的所述微凹腔直径D各数据点，并通过对数关系拟合函数曲线；所述函数曲线 与所述横坐标的交点即为所述脉冲激光烧蚀所述靶材所对应的烧蚀阈值F_th；同时计算所述靶 材表层材料在所述脉冲激光烧蚀过程中的有效系数α；

S5、通过所述微凹腔深度h、所述烧蚀阈值F_th和所述有效系数α，以及激光能量密度， 推导出激光烧蚀过程中等离子体吸收率b。

上述方案中，所述步骤S1具体包括以下步骤：

1)、使用金相砂纸打磨所述靶材，使所述靶材的表面粗糙Ra度达到0.05-0.1μm；

2)、用浸有无水酒精的棉球擦干净所述靶材块表面待加工。

上述方案中，所述步骤S2具体包括以下步骤：

3)、将所述靶材固定装夹在工作台上，将所述脉冲激光聚焦至待加工的所述靶材表面， 聚焦后的激光光斑直径ω₀的取值为0.001-1mm，所述脉冲激光的波长为193nm-10.6μm，脉 宽为1fs-1ms，单脉冲能量E为1uJ-100J；

4)、通过改变所述脉冲激光的单脉冲能量E，改变激光能量密度F，所述单脉冲能量E 与所述激光能量密度F的关系为：采用所述激光能量密度F变化的激光脉冲在所 述靶材表面烧蚀加工一系列所述微凹腔，在加工过程中，所述激光能量密度F的取值符合等 比数列或等差数列分布；所述激光能量密度F取值个数与一系列所述微凹腔的个数相等；所 述一系列微凹腔的个数大于等于5个；

5)、靶材后处理：去除所述靶材表面熔渣，进行抛光；

6)、将抛光后的所述靶材块放入装有无水乙醇的量杯中，置于超声波清洗机内清洗，清 洗后取出吹干以备检测。

上述方案中，所述步骤S3具体包括以下步骤：

7)、所述微凹腔形貌测量前，先浸有无水酒精的棉球擦拭净所述靶材块表面；

8)、利用WYKO—NT1100表面三维形貌测量仪对所述微凹腔表面织构进行几何形貌测 量，包括所述微凹腔直径D和深度h。

上述方案中，所述步骤S4中，获得所述有效系数α的方法为：通过求得的所述激光烧蚀 阈值F_th，确定不产生烧蚀等离子体的能量密度F₀，能量密度F₀的取值范围为(F_th,3F_th]；采 用能量密度F₀的脉冲激光加工所述微凹腔，测量所述微凹腔的深度为h₀，根据公式 求得所述靶材的表层材料有效系数α。

上述方案中，所述步骤S5中推导所述离子体吸收率b的公式为：

$b=1-\frac{F_{th}}{F}\exp \left(\alpha h\right)$

其中，b为激光等离子吸收率；

F_th为激光烧蚀阈值；

α为有效系数，所述有效系数为光学吸收系数或热渗透系数；

F为激光能量密度；

h为该激光能量密度下所对应的微凹腔深度。

上述方案中，所述脉冲激光聚焦光斑处的能量密度分布呈二维高斯分布。

本发明与现有技术相比在于本发明将吸收率的测量转化为烧蚀所得微凹腔形貌尺寸的测 量。首先，在平整光洁的靶材表面，采用特定脉冲激光，加工一系列微凹腔，在加工过程中 均匀变化激光能量密度F；随后，通过三维形貌仪测得所述微凹腔直径D和深度h，通过直 径-激光能量密度曲线求得激光烧蚀阈值F_th；然后结合微凹腔深度h，由理论计算得到表层材 料有效系数α，进而得到激光烧蚀过程中等离子体吸收率b；本方法易于操作，测得结果稳定 可靠，适用范围广泛，非常适用于工业应用对激光加工过程的监测控制，以及科学研究中光 致等离子体研究。

附图说明

图1是本发明一实施例的测量方法的流程示意图。

图2是本发明一实施例的微凹腔直径D与激光能量密度F拟合曲线图。

图3是本发明一实施例的激光等离子吸收率b随激光能量密度F的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于 此。

在本实施例中采用的激光微加工设备包括脉冲Nd:YAG激光器、准直扩束镜、45°全反 镜、聚焦透镜和工作台。从脉冲Nd:YAG激光器发出的激光束，依次通过准直扩束镜、45° 全反镜、聚焦透镜，最后聚焦到工作台上的靶材表面。所述的形貌测量设备为WYKO—NT1100 表面三维形貌测量仪。

以45^#钢靶材为例，激光等离子体的测量方法如图1所示，包括以下步骤：

S1、选取45^#钢为靶材并平整光洁所述靶材的表面，使所述靶材表面的表面粗糙度Ra为 0.05-0.1μm，具体步骤为：

选取45^#钢并使用250^#，600^#，800^#，1200^#和1500^#金相砂纸打磨所述靶材平整光洁其表 面，使所述靶材表面的表面粗糙度Ra为0.05-0.1μm；然后用浸有无水酒精的棉球擦干净所述 靶材块表面待加工。

S2、采用特定脉冲激光在45^#钢表面烧蚀加工一系列微凹腔，在加工过程中，激光能量密 度F规则增大或减小，微凹腔的个数大于等于5个，具体步骤为：

1)将45^#钢固定装夹在工作台上，将特定脉冲激光聚焦至待加工45^#钢表面，聚焦后的 激光光斑直径ω₀为60μm，选用的述脉冲激光波长为532nm，脉宽为200ns，单脉冲能量为 0.1mJ-5mJ；

2)通过改变脉冲激光的单脉冲能量E，改变激光能量密度F，两者间的关系为：具体的，改变脉冲激光的单脉冲能量E的方法为，调节脉冲频率或改变平均输出功率；选取 一组单脉冲能量E分别取0.2mJ，0.4mJ，0.7mJ，1.1mJ，1.6mJ，2.2mJ，2.9mJ，3.7mJ，4.6mJ， 根据公式可以计算出激光能量密度F分别为14.15J/cm²，28.31J/cm²，49.54J/cm²， 77.85J/cm²，113.23J/cm²，155.70J/cm²，205.24J/cm²，261.85J/cm²，325.55J/cm²；然后开启 激光微加工设备，在45^#钢表面加工微米量级的凹腔形貌；

3)靶材后处理：先用1500^#金相砂纸打磨加工后45^#钢表面去除表面熔渣，再使用0.5um 粒径的金刚石抛光剂，在抛光机上抛光10-20min；

4)将抛光后的靶材块放入装有无水乙醇的量杯中，置于超声波清洗机内清洗20min，清 洗后取出吹干并对其进行编号后置于干燥皿中以备检测。

S3、用形貌分析仪测量步骤S2烧蚀获得的所述微凹腔的直径D和深度h，具体步骤为：

5)测量所述微凹腔形貌前，先浸有无水酒精的棉球擦拭净所述45^#钢靶材块表面；

6)利用WYKO—NT1100表面三维形貌测量仪对所述微凹腔表面织构进行几何形貌测量， 包括所述微凹腔直径D和深度h。

S4、在横坐标位激光能量密度F和纵坐标为凹腔直径D的二维坐标系中，绘制所述能量 密度F及对应的所述微凹腔直径D各数据点，并通过对数关系拟合函数曲线；所述函数曲线 与横坐标的交点即为所述脉冲激光烧蚀45^#钢的烧蚀阈值F_th；同时计算45^#钢表层材料在所述 脉冲激光烧蚀过程中的有效系数α，具体步骤如下：

7)计算45^#钢激光烧蚀阈值F_th：在横坐标为激光能量密度F和纵坐标为凹腔直径D的 二维坐标系中，绘制所述步骤S3中能量密度F及对应的所述凹腔直径D对应各点，并通过 对数关系拟合函数曲线，拟合曲线如图2所示，曲线所对应的方程如下：

D＝25.161ln(F)-48.467(1)

曲线与横坐标的交点为45^#钢的激光烧蚀阈值F_th＝6.86J/cm²；

8)取单脉冲能量E₀＝0.2mJ，激光能量密度F₀＝14.15J/cm²，45^#钢在能量密度F₀＝14.15J/cm2 的烧蚀微凹腔深度h₀＝1.89μm。由于能量密度F₀较小，可以认为材料表面没有形成等离子体， 此时，可认为等离子体未对入射激光能量有显著吸收损耗，入射到材料表面的实际能量密度 即为能量密度F₀，所以45^#钢在能量密度F₀下烧蚀微凹腔深度h₀与入射到材料表面的实际能 量密度F₀的关系为：

$h_0=\frac{1}{\alpha }\ln \left(\frac{F_0}{F_{th}}\right)---\left(2\right)$

其中α为有效系数，所述有效系数为光学吸收系数或热渗透系数，当脉宽长，热效应明 显时用热渗透系数表示，使用超短脉冲时用光吸收系数表示。

将能量密度F₀与微凹腔深度h₀的数值代入公式(2)，求得45^#钢材料的有效系数 α＝0.493μm^-1。

S5、通过所述微凹腔深度h、所述烧蚀阈值F_th和所述有效系数α，以及特定激光能量密 度条件，推导出在特定激光能量密度下，激光烧蚀过程中等离子体吸收率b，具体步骤为：

当所述激光能量密度F大于3F_th，材料表面会形成明显的等离子体，因此，激光穿透等 离子体到达材料表面的能量密度为：

F_inc＝(1-b)F(3)

其中，F_inc为脉冲激光入射到材料表面的能量密度，b是等离子体对激光的吸收率，所述 靶材的烧蚀深度h与入射到材料表面的实际能量密度F_inc的关系为：

$h=\frac{1}{\alpha }ln\left(\frac{F_{inc}}{F_{th}}\right)---\left(4\right)$

其中α为有效系数，所述有效系数为光学吸收系数或热渗透系数。

结合公式(3)和(4)，可以得到等离子体吸收率b和微凹腔深度h之间的关系为：

$b=1-\frac{F_{th}}{F}\exp \left(\alpha h\right)---\left(5\right)$

其中，b为激光等离子吸收率；

F_th为激光烧蚀阈值；

α为有效系数，所述有效系数为光学吸收系数或热渗透系数；

F为激光能量密度；

h为该激光能量密度下所对应的微凹腔深度。

将微凹腔深度h、激光烧蚀阈值F_th,有效系数α等代入公式可得到不 同能量密度F下激光等离子体的吸收率b，激光等离子吸收率b随激光能量密度F的变化曲 线如图3所示。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本 发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均 属于本发明的保护范围。