聚焦激光剝蝕鐵靶實驗設(shè)計探析

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自從1960年美國人梅曼制作了世界上第一臺激光器后，激光因其能量集中、方向性好、相干性好、單色性好，在激光加工中得到廣泛研究與應(yīng)用．目前國內(nèi)很多高校開設(shè)光電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)及光信息處理專業(yè)，激光原理是這2個專業(yè)的重要必修課．雖然學(xué)生做了很多光學(xué)方面的物理實驗，但沒有經(jīng)過激光實驗訓(xùn)練，學(xué)生仍然很難將激光原理與物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等其他相關(guān)學(xué)科交叉學(xué)習(xí)，對激光器工作原理、結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)及激光的主要性能參量測試沒有感性認識．為了彌補這一缺憾，在聚焦脈沖激光剝蝕靶材前首先采用相關(guān)設(shè)備測試自由運轉(zhuǎn)激光器輸出脈沖激光的主要性能參量，如能量、脈沖寬度、工作頻率等，脈沖激光聚焦靶材表面剝蝕后的形貌采用體視顯微鏡觀測，以評價不同激光參量對剝蝕后形成的凹坑形貌的影響．

1激光參量測試

激光剝蝕靶材前測量自由運轉(zhuǎn)的脈沖鈥激光參量。

1）測激光能量．為防止激光對光功率能量計探測器敏感端面造成損傷，激光器出光端面距光功率能量計（以色列Ophir公司，表頭NOVAII，探測器PE50BF－C）敏感端面50mm．激光器輸出的脈沖激光輻照在光功率能量計探測器上，探測結(jié)果在附帶表頭上動態(tài)實時顯示．數(shù)據(jù)采集軟件可動態(tài)顯示激光能量／功率隨時間變化關(guān)系曲線，也可以TXT文件保存采集的能量／功率數(shù)據(jù)．為了鍛煉學(xué)生運用數(shù)據(jù)軟件處理實驗數(shù)據(jù)的能力，用Origin8．0軟件對保存的數(shù)據(jù)文件進行必要的處理．

2）測激光脈寬．距離光功率能量計探頭50mm處，以一定角度放置光電探測器（PV－3，波蘭Vigo公司，響應(yīng)時間τ＜15ns），探測到部分反射光信號，轉(zhuǎn)換后的電壓信號輸入示波器（泰克，DPO4104），示波器記錄激光脈沖波形．結(jié)果表明：泵浦電壓為960V，泵浦脈寬為0．9ms，頻率5Hz時鈥激光脈沖的半高全寬為570μs．表明激光器初始輸出脈沖能量較大，第5s時探測到的瞬時能量為2．17J，5s內(nèi)測得平均能量為2．133J，最大能量值為2．31J，最小能量值為2．05J，能量標準偏差為61．32mJ，探測到的激光頻率為5Hz．設(shè)置脈沖鈥激光輸出頻率為5Hz，調(diào)節(jié)激光器電源的泵浦電壓和泵浦脈寬，使輸出的脈沖激光能量分別為2．067J，2．147J，2．133J時，對應(yīng)的激光脈寬分別為1010μs，952μs，598μs．由于脈沖激光能量波動在5％范圍內(nèi)，可視為激光能量恒定輸出且平均值為2．1J．

2聚焦鈥激光剝蝕靶材實驗設(shè)計

2．1實驗流程

由于2．1μm波長鈥激光在普通的玻璃材料制作凸透鏡中傳輸時損耗較大，因此不能用普通K9玻璃材料制作凸透鏡聚焦鈥激光脈沖．另外，作為增益介質(zhì)的固體棒直徑為10mm，激光器諧振腔端面輸出的光斑直徑約為8mm．選擇直徑15mm、焦距15mm的氟化鈣材料制作的雙凸透鏡聚焦脈沖激光．搭建如圖4的實驗平臺．頻率5Hz的脈沖鈥激光經(jīng)氟化鈣透鏡聚焦在靶材表面，持續(xù)10個脈沖，每組參量的實驗重復(fù)5次．靶材為鑄鐵片（15mm×15mm×2mm），鐵片固定在三維調(diào)整支架上，可三維移動控制．為了實現(xiàn)打孔的精確定位，可以利用調(diào)整架對靶材位置進行微調(diào)，使激光聚焦在靶材表面，操作步驟如下：1）調(diào)制好光路，在三維調(diào)整架上裝靶材并試探性打孔．）調(diào)節(jié)激光器電源參量，降低輸出的激光能量并調(diào)節(jié)支架，使得聚焦激光剛好能在靶材上打孔，而沿光軸方向前后移動靶材后均不能打孔，則可定位聚焦點．

2．2實驗結(jié)果與分析

經(jīng)鈥激光脈沖剝蝕后的鐵片放在體視顯微鏡（鏡頭LeicaM205A，攝像系統(tǒng)LeicaDFC550）下觀察．圖中（a1），（b1）和（c1）為凹坑表面二維形貌圖，（a2），（b2）和（c2）分別是對應(yīng)的凹坑底部形貌放大圖。，脈沖鈥激光剝蝕鐵片形成的凹坑呈表面大、底部小的錐形，凹坑表面總體呈橢圓形，但短脈寬［如（c）598μs］時凹坑表面形狀更規(guī)則．因為聚焦光斑的形貌相同，對于離聚焦中心一定距離的點來說，短脈寬時該點處激光功率密度高，鐵的熔融過程顯著，鐵片被剝蝕．激光脈寬長時，激光功率密度低于剝蝕閾值時沒有剝蝕現(xiàn)象發(fā)生．（a）和（b）2組實驗中的凹坑內(nèi)部顏色呈以藍和黃褐色為主的彩色，凹坑（c）中還出現(xiàn)紅色．一般而言，鐵的氧化物為黑色（如四氧化三鐵、氧化亞鐵）和紅棕色（三氧化二鐵），與凹坑（a）～（c）的顏色有出入，顯然這3組實驗條件下的剝蝕產(chǎn)物成分更為復(fù)雜．對于圖（a1）～（c1），凹坑內(nèi)壁可見環(huán)狀分層的紋路，這是因為鐵片受激光輻照后升溫，進而熔化，由于該過程反應(yīng)劇烈，部分熔融物飛濺出去，導(dǎo)致鐵片的剝蝕發(fā)生，每次脈沖作用意味著1次剝蝕過程，在下次剝蝕發(fā)生前，熔融物冷卻時會留下痕跡，即圖中藍色的環(huán)狀紋路．圖中顯示凹坑最外層紋路的形狀不規(guī)則，隨著向內(nèi)部的延伸，紋路形狀越來越規(guī)則，從橢圓漸變?yōu)榻茍A形．凹坑（a1）～（c1）可見的紋路個數(shù)分別為6個、7個、9個，并不是激光脈沖個數(shù)10個，這是因為：1）部分凹坑底部視野模糊，無法觀測清楚；2）鐵片熔融物分子內(nèi)能高，熔融物在剝蝕過程中由聚焦點向四周移動，其溫度在遠離激光加熱區(qū)域過程中不斷降低，最后冷卻并堆積在凹坑邊緣，冷卻物會覆蓋部分紋路；3）激光脈寬較短時，激光功率密度高，激光與鐵片反應(yīng)過程更加劇烈，熔融物能夠較迅速地噴射出去，使剝蝕紋路充分暴露，能觀察到的紋路相對多．凹坑（a1）～（c1）底部分布有顆粒狀固體，直徑約10μm，這是熔融的鐵冷卻后形成，凹坑（c1）的內(nèi)壁也粘附有顆粒，但直徑較大，約30μm．此外，凹坑（a1）和（b1）內(nèi)壁有裂痕，裂痕從凹坑表面延伸至凹坑底部，而且（a1）中的裂痕數(shù)目更多，說明長脈寬脈沖激光對凹坑內(nèi)部有附帶機械性損傷，實際運用時應(yīng)選擇短脈寬的激光，實現(xiàn)深徑比（凹坑深度與表面直徑比值）大、無明顯熱損傷或機械性損傷、凹坑表面光滑且無剝蝕物沉積的高品質(zhì)固體靶材微孔加工．

3結(jié)束語

為了提高光電子科學(xué)與技術(shù)及光信息處理專業(yè)學(xué)生的激光技術(shù)水平，將激光原理與實驗相結(jié)合，并在實驗中進行了聚焦激光剝蝕鐵靶的實驗，采用相關(guān)的實驗設(shè)備測試了激光的能量、脈沖寬度及工作頻率參量．該實驗用在實際的實驗教學(xué)中時，學(xué)生首次見到了書本上描述的激光器，體驗了測試激光參量的流程，在教學(xué)上有助于學(xué)生加深對激光理論的理解，促進理論與實驗的完美結(jié)合．本實驗進程中學(xué)生將分析激光聚焦過程中的經(jīng)驗與教訓(xùn)，在總結(jié)失敗經(jīng)驗的基礎(chǔ)上順利完成激光的聚焦，間接提高學(xué)生分析問題與解決問題的能力，促進了學(xué)生不同程度創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

作者：呂濤 陳昉 單位：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）數(shù)理學(xué)院