長(zhǎng)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(duì)象為長(zhǎng)脈沖激光和金屬材料，首先分析了長(zhǎng)脈沖激光可能對(duì)金屬產(chǎn)生的影響，然后通過(guò)理論與實(shí)際相結(jié)合的方式，又針對(duì)長(zhǎng)脈沖激光對(duì)物質(zhì)的作用展開(kāi)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(zhǎng)脈沖激光 金屬 相互作用

長(zhǎng)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(guò)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(gè)方面，也會(huì)受到外部環(huán)境的影響。以波長(zhǎng)、脈寬、重復(fù)率為代表的與長(zhǎng)脈沖激光特性密切相關(guān)的因素，都會(huì)對(duì)相互作用的過(guò)程產(chǎn)生影響，針對(duì)其所開(kāi)展的研究工作，也具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 長(zhǎng)脈沖激光對(duì)金屬的影響

1.1 熱物理性質(zhì)

利用激光束對(duì)向同性均勻物體進(jìn)行加熱，可以通過(guò)對(duì)激光能量進(jìn)行吸收以及熱擴(kuò)散的方式，使得物體邊界發(fā)生相應(yīng)的熱流運(yùn)動(dòng)，各處溫度自然也會(huì)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(duì)物體溫度場(chǎng)的變化具有決定性作用。針對(duì)激光加熱所進(jìn)行的計(jì)算，需要應(yīng)用到物體熱導(dǎo)率、比熱容以及熱擴(kuò)散率，另外，在變化過(guò)程中還需要對(duì)潛熱、氣化溫度和熔化溫度的數(shù)值加以考慮，這主要是因?yàn)樯鲜鰞?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(chǎng)的變化

想要對(duì)物體溫度場(chǎng)加以確定，關(guān)鍵在于明確激光加載的條件，一般來(lái)說(shuō)，體熱源或面熱源所對(duì)應(yīng)數(shù)值應(yīng)為被吸收光強(qiáng)或是激光能量，當(dāng)然，在特定條件下，還會(huì)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(duì)不同介質(zhì)而言，想要實(shí)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(duì)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(huì)出現(xiàn)間斷的問(wèn)題，此時(shí)對(duì)熱阻進(jìn)行計(jì)算應(yīng)用的公式則是：對(duì)溫度差通關(guān)熱量值進(jìn)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(diǎn)數(shù)值持平，短時(shí)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(huì)進(jìn)一步熔化，成為固態(tài)液體。

2 長(zhǎng)脈沖激光對(duì)物質(zhì)的作用

2.1 吸收并轉(zhuǎn)化激光能量

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，物體吸收激光的過(guò)程，就是物體內(nèi)部振子、電荷和激光電磁場(chǎng)間相互作用的過(guò)程，但從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，這一過(guò)程則更為復(fù)雜，需要涉及到對(duì)吸收光譜進(jìn)行測(cè)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(guò)對(duì)這部分能量的轉(zhuǎn)化，束縛電子或自由電子所對(duì)應(yīng)平均動(dòng)能的數(shù)值便會(huì)有所增加，其中大部分能量會(huì)通過(guò)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(jī)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(huì)呈現(xiàn)出明顯上升的趨勢(shì)，液態(tài)金屬所對(duì)應(yīng)電阻率，在特定情況下可達(dá)處于熔點(diǎn)溫度的固態(tài)電阻率的兩倍或以上，也就是說(shuō)，熔點(diǎn)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(huì)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(guò)程中會(huì)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(duì)光滑金屬表面所具有吸收率和溫度間的關(guān)系展開(kāi)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(shí)，無(wú)論是吸收率還是反射率受溫度變化的影響與實(shí)驗(yàn)值間均存在高度的統(tǒng)一。但是實(shí)驗(yàn)樣品、工件往往無(wú)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(huì)在一定程度上對(duì)其所具有的激光反射率產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)能量耦合產(chǎn)生影響。對(duì)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(wú)法實(shí)現(xiàn)與金屬物品相同的精密制造，因此，漫反射作用相對(duì)明顯，在對(duì)這部分內(nèi)容進(jìn)行研究時(shí)，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(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)、厚度、消光系數(shù)以及折射系數(shù)，對(duì)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(huì)使得吸收率出現(xiàn)大幅度的增加。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)上文所敘述的內(nèi)容進(jìn)行分析能夠看出，長(zhǎng)脈沖激光和金屬間的相互作用，可以被視為金屬物體對(duì)激光進(jìn)行吸收，但是從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，這一過(guò)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(shí)的基本機(jī)制作為切入點(diǎn)，對(duì)長(zhǎng)脈沖激光和金屬之間存在的相互作用展開(kāi)了分析，希望今后在開(kāi)展激光加工、打標(biāo)等工作時(shí)，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(xiàn)

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工作單位

長(zhǎng)春理工大學(xué) 吉林省長(zhǎng)春市 130023