張　梁，倪曉武，陸　健

(南京理工大學(xué) 理學(xué)院，南京 210094)

引　言

激光加工具有非接觸、效率高、易控制等特點(diǎn)[1]，因而在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到金屬[2]、半導(dǎo)體[3]、復(fù)合材料[4]等領(lǐng)域。在利用脈沖激光打孔過(guò)程中，主要涉及熔融、氣化以及熔融噴濺等現(xiàn)象[5]。在毫秒激光和金屬靶材相互作用過(guò)程中，當(dāng)材料表面出現(xiàn)氣化以后，物質(zhì)蒸氣產(chǎn)生的氣化壓力使得熔融液體從材料表面向外噴濺[6]。2003年，HE等人[7]報(bào)道了脈寬為3ms、能量密度僅為392J/cm2的毫秒激光與304#不銹鋼的相互作用，發(fā)現(xiàn)鋼靶表面最高溫度可達(dá)3052K，超過(guò)了304#不銹鋼的沸點(diǎn)(2980K);2006年，他們繼續(xù)對(duì)304#不銹鋼熔融噴濺的產(chǎn)生條件進(jìn)行研究，結(jié)果表明，當(dāng)材料表面溫度大于沸點(diǎn)約100K～200K時(shí)，將會(huì)有液態(tài)噴濺物出現(xiàn)[8]。SEMAK等人結(jié)合能量守恒定律，數(shù)值模擬了鐵靶和鋁靶的表面溫度、氣化速度、熔融噴濺速度等隨入射激光功率密度的變化規(guī)律[9]。然而，上述熔融噴濺過(guò)程的研究均是基于毫秒激光與金屬靶材的相互作用，而毫秒激光與硅靶相互作用產(chǎn)生的熔融噴濺的機(jī)理及其與金屬靶差異尚未見(jiàn)報(bào)道。

作者通過(guò)陰影法研究了毫秒激光致硅靶和鋁靶產(chǎn)生的熔融噴濺過(guò)程，得到了脈寬為1ms，能量為7.38J和16.00J的Nd3+∶YAG高斯激光與厚0.3mm硅靶和厚4.0mm鋁板相互作用中產(chǎn)生熔融噴濺過(guò)程的陰影圖。 通過(guò)序列陰影圖的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)毫秒激光對(duì)兩種靶材均能產(chǎn)生氣化和熔融噴濺過(guò)程，但熔噴噴濺物形態(tài)、亮度、分布區(qū)域以及熔融噴濺的角度均不相同，進(jìn)而根據(jù)毫秒激光致硅靶和鋁靶融熔噴濺產(chǎn)生的機(jī)理分析了其產(chǎn)生熔融噴濺現(xiàn)象和機(jī)理的異同。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置可分為毫秒激光與靶材相互作用光路和探測(cè)光路兩部分，如圖1所示。毫秒激光與靶材相互作用光路為高能毫秒激光束經(jīng)過(guò)聚焦透鏡輻照在靶材上，聚焦透鏡的焦距為152mm，靶材表面的光束半徑為0.2mm。實(shí)驗(yàn)中鋁靶厚度為4mm，硅靶厚度為0.3mm,Nd3+∶YAG毫秒激光器型號(hào)為Beamtech Melar 50，輸出波長(zhǎng)為1064nm，脈寬為0.5ms～2.5ms可調(diào)，激光能量調(diào)節(jié)范圍為0J～50J。實(shí)驗(yàn)中，采用的激光脈寬為1ms，單脈沖激光能量分別選取7.38J和16.00J。探測(cè)光路中的探測(cè)激光的波長(zhǎng)為532nm，功率為500mW。探測(cè)激光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束透鏡、準(zhǔn)直透鏡、靶材以及帶通干涉濾光片后，并由Southern Vision System公司的Gigaview高速CCD記錄整個(gè)相互作用過(guò)程，最后由計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)圖像。經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直透鏡后的激光束光斑半徑為2cm。Gigaview高速CCD在分辨率為1280×1280時(shí)，拍攝幀率為4261frame/s。532nm的帶通干涉濾光片的半帶寬為30nm。實(shí)驗(yàn)中使用DG535控制器調(diào)節(jié)毫秒高能激光器與高速CCD進(jìn)行同步觸發(fā)，觸發(fā)精度為0.15ns。

Fig.1　Experimental apparatus

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

毫秒激光致硅靶和鋁靶的熔融噴濺過(guò)程的序列陰影圖對(duì)比情況如圖2所示。圖2中左側(cè)為毫秒激光致硅靶熔融噴濺過(guò)程序列陰影圖，右側(cè)為毫秒激光致鋁靶熔融噴濺過(guò)程序列陰影圖。在實(shí)驗(yàn)中，脈沖為1ms、能量為7.38J的毫秒激光從左至右輻照在靶材上，其中硅靶的厚度為0.3mm，而鋁靶的厚度為4mm。在圖2左側(cè)的序列陰影圖中，當(dāng)激光作用233μs時(shí)，激光作用區(qū)域中熔融硅的亮度高于背景光(背景光為探測(cè)激光束)；當(dāng)激光作用466μs時(shí)，硅靶前表面和后表面均出現(xiàn)了熔融噴濺物；當(dāng)激光作用699μs時(shí)，硅靶前表面和后表面出現(xiàn)了更多的熔融噴濺物；當(dāng)激光作用932μs時(shí)，可見(jiàn)硅靶前表面和后表面熔融噴濺物逐漸分散開(kāi)，呈現(xiàn)液滴狀，硅靶產(chǎn)生的熔融噴濺方向與靶材前表面法線(xiàn)的最大夾角約為45°，熔融噴濺物分布于兩最大噴濺角之間，且硅靶前后表面熔融噴濺物的噴濺方向相反。在整個(gè)毫秒激光與硅靶相互作用過(guò)程中，熔融噴濺物的亮度總是高于背景光。在圖2右側(cè)的序列陰影圖中，當(dāng)激光作用233μs時(shí)，激光作用區(qū)域中熔融鋁的亮度低于背景光，鋁靶前表面出現(xiàn)了氣化噴濺物，并且氣化噴濺物的亮度高于背景光；當(dāng)激光作用466μs時(shí)，可見(jiàn)氣化噴濺物在空氣中傳播，氣化噴濺物的噴濺方向與激光入射方向相反；在激光作用1165μs時(shí)，可見(jiàn)氣化噴濺物逐漸消散。在整個(gè)毫秒激光與鋁靶相互作用過(guò)程中，氣化噴濺物的亮度高于背景光，并且直接觀測(cè)到氣化噴濺物產(chǎn)生、傳播和逐漸消失的過(guò)程。

Fig.2Sequence shadow pictures about the process of molten liquid ejection produced by millsecond laser interaction with silicon and aluminum targets

在上述實(shí)驗(yàn)中，值得注意的是鋁靶產(chǎn)生的熔融噴濺現(xiàn)象并不十分明顯。為了得到激光作用鋁靶的熔融噴濺過(guò)程，加大毫秒激光能量至16.0J，得到的序列陰影圖如圖3所示。在圖中，脈沖為1ms、能量為16.0J的毫秒激光從左至右照射到厚度為4mm的鋁靶表面上。從序列陰影圖可以看出，當(dāng)激光作用66μs時(shí)，鋁靶表面出現(xiàn)了氣化的物質(zhì)蒸氣，并且物質(zhì)蒸氣的亮度明顯高于背景光的亮度；當(dāng)激光作用299μs時(shí)，物質(zhì)蒸氣在空氣中逐漸擴(kuò)大，并且鋁板表面出現(xiàn)了熔融噴濺物；當(dāng)激光作用532μs時(shí)，鋁靶表面出現(xiàn)了更多的熔融噴濺物，但在靶材表面產(chǎn)生的物質(zhì)蒸氣卻減少了。鋁靶產(chǎn)生的熔融噴濺方向與靶材前表面法線(xiàn)的夾角大約為20°，熔融噴濺物在空間呈線(xiàn)狀分布在噴射角所在的直線(xiàn)上。鋁靶表面熔融噴濺方向與激光入射方向相反；當(dāng)激光作用765μs時(shí)，鋁靶表面又產(chǎn)生了物質(zhì)蒸氣和熔融噴濺物；當(dāng)激光作用超過(guò)1ms后，物質(zhì)蒸氣逐漸消失。在熔融噴濺過(guò)程中，熔融噴濺物為線(xiàn)狀、不透明的液體，其亮度低于背景光。

Fig.3Sequence shadow pictures about the process of molten liquid ejection produced by millsecond laser interaction with aluminum targets

3　分析和討論

3.1　熔融噴濺物的形貌不同

起初在硅靶前表面和后表面均產(chǎn)生了熔融噴濺物，由于熔融噴濺物速度不同而逐漸分離開(kāi)，最后可觀測(cè)到熔融噴濺物呈現(xiàn)液滴狀；而鋁靶產(chǎn)生的熔融噴濺物呈線(xiàn)狀不透明流體，并且由于噴濺速度的不同而逐漸分離開(kāi)。

在激光與靶材相互作用產(chǎn)生的熔融噴濺過(guò)程研究中，其可能產(chǎn)生熔融噴濺的機(jī)理有兩種：(1)根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)，物質(zhì)蒸氣產(chǎn)生的氣化壓力使得熔融液體從材料表面向外噴濺[8]；(2)根據(jù)熱物理學(xué)理論，液-氣相變過(guò)程中的過(guò)熱沸騰同樣可使得熔融液體從材料表面向外噴濺[10]。對(duì)于毫秒激光與鋁靶相互作用，其熔融噴濺的機(jī)理應(yīng)用流體力學(xué)理論[6,11-12]；而對(duì)于毫秒激光與硅靶相互作用的熔融噴濺機(jī)理未見(jiàn)報(bào)道，由于硅靶和鋁靶的熔融噴濺現(xiàn)象存在諸多不同，因此考慮毫秒激光致硅靶產(chǎn)生過(guò)熱沸騰現(xiàn)象。過(guò)熱沸騰即體積氣化，它的氣化機(jī)制與面氣化機(jī)制不同，主要是小氣泡在過(guò)熱液體中成核、長(zhǎng)大、最后導(dǎo)致沸騰現(xiàn)象出現(xiàn)[13]。超過(guò)沸點(diǎn)的熔融硅液體內(nèi)部形成小氣泡，并且當(dāng)小氣泡膨脹至一定大小時(shí)帶著周?chē)娜廴谝后w離開(kāi)硅靶表面，因此，在熔融噴濺過(guò)程中，熔融噴濺物呈現(xiàn)液滴狀。而鋁靶形成熔融噴濺的機(jī)理為物質(zhì)蒸氣產(chǎn)生的氣化壓力使得熔融液體從材料表面向外噴濺，在外力的作用下液體向離開(kāi)靶材的方向移動(dòng)，因此呈現(xiàn)線(xiàn)狀分布。

3.2　熔融噴濺角度不同

硅靶產(chǎn)生的熔融噴濺方向與靶材前表面法線(xiàn)所成夾角最大值為45°；而鋁靶產(chǎn)生的熔融噴濺方向與靶材前表面法線(xiàn)的夾角較小，約為20°。對(duì)于硅靶而言，當(dāng)熔融噴濺現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，氣泡自身產(chǎn)生的氣化壓力要大于外力，氣泡必然向外力最小的方向運(yùn)動(dòng)[14]。在激光作用區(qū)域，硅靶的徑向溫度逐漸降低，而氣化飽和蒸氣壓隨溫度的降低而減小[13]，因而，在徑向上氣化飽和蒸氣壓強(qiáng)是逐漸減小的。在激光作用區(qū)域的邊緣附近，在自身產(chǎn)生的氣化壓力、氣化飽和蒸氣壓力和固-液交界面的共同限制下，融熔噴濺物以一定角度離開(kāi)靶材。實(shí)驗(yàn)中，熔融噴濺的角度最大值大約為45°。而對(duì)于鋁靶而言，其融熔噴濺方向主要是熔融液體受到外力的合力方向，這其中包括氣化蒸汽壓力、表面張力等作用力[6]，在實(shí)驗(yàn)中，靶產(chǎn)生的熔融噴濺方向與靶材前表面法線(xiàn)的夾角大約為20°。

3.3　熔融噴濺物空間分布不同

硅靶產(chǎn)生熔融噴濺物分布在兩個(gè)最大噴濺角之間，鋁靶產(chǎn)生的熔融噴濺物在空間呈線(xiàn)狀分布在噴濺方向所在的直線(xiàn)周?chē)?。?duì)于硅靶而言，過(guò)熱沸騰過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡是服從Boltzmann[15]分布的，在這種分布下，小氣泡布滿(mǎn)在激光作用區(qū)域，在自身產(chǎn)生的氣化壓力，周?chē)鷼馀輭毫凸璋斜砻骘柡驼羝麎毫Φ墓餐饔孟滦纬梢簯B(tài)噴濺。因此，在實(shí)驗(yàn)中看到融熔噴濺物分布在兩個(gè)最大噴濺角之間。而對(duì)于鋁靶而言，熔融液體受到合力的方向確定以后，其融熔噴濺方向也確定，因此，鋁靶產(chǎn)生的熔融噴濺物在空間呈線(xiàn)狀分布在噴濺方向所在的直線(xiàn)周?chē)?/p>

3.4　熔噴噴濺物的亮度不同

硅靶產(chǎn)生熔融噴濺物的亮度高于背景光，而鋁靶產(chǎn)生的熔融噴濺物亮度低于背景光。由于實(shí)驗(yàn)所用的高速CCD前放置了波長(zhǎng)為532nm的帶通干涉濾波片，因而高速CCD記錄的主要是波長(zhǎng)為532nm±15nm光波。在實(shí)驗(yàn)中，硅靶產(chǎn)生的融熔噴濺物的亮度高于背景光，因此高溫融熔液體硅存在熱輻射現(xiàn)象。這里假設(shè)將發(fā)生過(guò)熱沸騰現(xiàn)象，即融熔液體的溫度要超過(guò)其沸點(diǎn)，而硅的沸點(diǎn)溫度為3514K，在計(jì)算中假定熔融噴濺物的溫度為3500K，根據(jù)黑體輻射輻射強(qiáng)度的定義和液態(tài)硅的發(fā)射率ε=0.27[16]，溫度為3500K的液態(tài)硅在帶通干涉濾光片透光波段517nm～547nm的輻射強(qiáng)度為：

3.132W/cm2

(1)

式中，λ是波長(zhǎng)，Eb表示黑體輻射強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)中使用波長(zhǎng)為532nm的連續(xù)激光器，輸出功率500mW，半徑為2cm，對(duì)應(yīng)背景光輻射強(qiáng)度為：

(2)

由以上計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，液態(tài)硅在517nm～547nm波段的輻射強(qiáng)度約為背景光源的78.7(M=E/Ib=78.7)倍?？梢?jiàn)，高溫液態(tài)硅輻射光強(qiáng)度遠(yuǎn)高于背景光，由此可推知在毫秒激光作用下硅的熔融液體溫度高于其沸點(diǎn)溫度。而對(duì)于鋁靶而言，毫秒激光的能量密度大于鋁靶的熔融噴濺閾值[6]，整個(gè)熔融層的液體在氣化壓力的作用下離開(kāi)鋁靶表面。由于發(fā)射率和吸收率近似相等[17]，而液態(tài)鋁對(duì)波長(zhǎng)532nm的吸收率為0.25[18]。根據(jù)黑體輻射輻射強(qiáng)度的定義和背景光的強(qiáng)度，融熔液態(tài)鋁輻射的光強(qiáng)度和背景光相等時(shí)，融熔鋁的溫度為2250K。鋁靶的熔點(diǎn)為933K，溫度為933K～2250K的融熔鋁離開(kāi)靶材時(shí)，其亮度低于背景光。因此，在實(shí)驗(yàn)中，觀察到的熔融噴濺物的亮度低于背景光，即毫秒激光作用下鋁的熔融液體溫度低于其沸點(diǎn)溫度。

4　結(jié)　論

將脈寬為1ms的激光致硅靶和鋁靶的熔融噴濺過(guò)程的陰影圖進(jìn)行對(duì)比，研究了硅靶和鋁靶熔融噴濺過(guò)程。在研究過(guò)程中，將過(guò)熱沸騰的機(jī)理引入到毫秒激光與硅靶相互作用過(guò)程中，進(jìn)而根據(jù)毫秒激光致硅靶和鋁靶融熔噴濺產(chǎn)生的機(jī)理分析硅靶和鋁靶產(chǎn)生熔融噴濺現(xiàn)象的不同。

(1)2種靶材熔融噴濺物的形態(tài)不同。熔融液態(tài)硅內(nèi)部形成氣泡并膨脹直至離開(kāi)硅靶表面，形成液滴狀融熔噴濺物；而鋁靶在外力的作用下液體離開(kāi)靶材的方向移動(dòng)，因此呈現(xiàn)線(xiàn)狀分布。

(2)熔融噴濺夾角與和融熔噴濺物的分布不同。硅靶產(chǎn)生的氣泡服從Boltzmann分布，氣泡離開(kāi)硅靶后形成融熔噴濺物分布在兩個(gè)最大噴濺角之間，最大噴濺角約為45°；而鋁靶融熔噴濺物的方向?yàn)樗芡饬Φ暮狭Ψ较?，因此融熔噴濺物分布在噴濺方向所在的直線(xiàn)周?chē)?，噴濺角度約為20°。

(3)熔融噴濺物的亮度不同。硅的融熔噴濺物是溫度大于沸點(diǎn)的液體，高溫融熔液態(tài)噴濺物可輻射可見(jiàn)光譜，因此其亮度高于背景光；而鋁靶融熔噴濺物是溫度大于熔點(diǎn)的液體，低溫融熔液態(tài)鋁是不能輻射可見(jiàn)光譜的，因此其亮度低于背景光。毫秒激光可應(yīng)用于激光打孔，激光切割等。

本文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將對(duì)毫秒激光致固體靶材熔融噴濺的機(jī)理研究提供理論依據(jù)。