張 黎，陶彥輝，黃元杰，殷乾峰，陳加政，張永強(qiáng)，譚福利

（中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所, 四川 綿陽(yáng) 621999）

SiC 具有優(yōu)良的光學(xué)、力學(xué)和耐高溫性能，廣泛應(yīng)用于光學(xué)、半導(dǎo)體、熱防護(hù)等領(lǐng)域。SiC 的硬度大且易碎，給傳統(tǒng)加工帶來(lái)了挑戰(zhàn)。激光作為新興的加工方式，為SiC 的加工提供了便利。迄今為止，激光與物質(zhì)的相互作用已有大量研究[1–4]，但脈沖激光與SiC 之間的相互作用研究較少。Reitano 等[5]研究了XeCl 準(zhǔn)分子脈沖激光輻照下SiC 的燒蝕率與激光功率密度的關(guān)系。Mohammed 等[6]開(kāi)展了АrF 準(zhǔn)分子脈沖激光輻照SiC 實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了燒蝕率與激光功率密度之間的關(guān)系，并通過(guò)數(shù)值模擬給出了激光輻照下SiC 的溫度曲線。實(shí)驗(yàn)研究還表明，SiC 的燒蝕率與脈沖數(shù)線性相關(guān)[7–8]，但相關(guān)物理機(jī)理目前尚不明確。蔡敏等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了納秒激光和皮秒激光在SiC/SiC 復(fù)合材料上的制孔特征與規(guī)律。路宸[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了激光燒蝕SiC 以及SiC 改性的機(jī)理，利用改寫的熱傳導(dǎo)模型計(jì)算了燒蝕率。然而，由于脈沖激光與材料的相互作用過(guò)程十分復(fù)雜，相關(guān)研究主要圍繞燒蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和材料溫度場(chǎng)計(jì)算等方面，對(duì)激光輻照下材料燒蝕的動(dòng)力學(xué)過(guò)程的機(jī)理研究較少。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方式，探討納秒脈沖激光輻照SiC 的機(jī)理，以期獲得納秒脈沖激光對(duì)SiC 的燒蝕規(guī)律，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬分析激光誘導(dǎo)等離子體對(duì)燒蝕率的影響。

1 脈沖激光輻照SiC 實(shí)驗(yàn)

激光燒蝕實(shí)驗(yàn)的光路如圖1 所示。光源為Nd：YАG 脈沖激光器，激光波長(zhǎng)為1 064 nm，脈寬為10 ns，單脈沖最大能量為200 mJ，重復(fù)頻率為100 Hz。激光束經(jīng)分光鏡分為透射光和反射光。透射光經(jīng)凸透鏡聚焦后輻照到SiC 上；反射光直接輻照到能量探測(cè)器上，用以獲取激光輻照過(guò)程中激光的脈沖能量。實(shí)驗(yàn)采用的SiC 板的厚度為5 mm，長(zhǎng)和寬均為50 mm。

圖1 激光燒蝕實(shí)驗(yàn)光路Fig.1 Schematic diagram of laser ablation experiment

由于納秒脈沖激光燒蝕材料可能會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生具有較高電子數(shù)密度的等離子體，導(dǎo)致激光束在到達(dá)材料之前被等離子體吸收部分能量，即等離子體屏蔽現(xiàn)象，因此，需要研究激光誘導(dǎo)等離子體對(duì)激光的屏蔽作用。激光誘導(dǎo)等離子體的測(cè)量實(shí)驗(yàn)光路如圖2 所示。光源為Nd：YАG 脈沖激光器，激光波長(zhǎng)為1 064 nm，脈寬為10 ns，單脈沖最大能量為5 J，觸發(fā)模式為單次觸發(fā)。激光束經(jīng)凸透鏡聚焦后輻照到SiC 上，光軸與材料表面法線的夾角約為10°，誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體射流從靶面噴出。采用波長(zhǎng)為532 nm 的連續(xù)半導(dǎo)體激光器診斷等離子體對(duì)光的吸收。材料中心預(yù)設(shè)一個(gè)小孔，小孔直徑為500 μm。探測(cè)光垂直入射材料表面，穿過(guò)材料中心的小孔輻照至探測(cè)器上。探測(cè)器記錄輻照過(guò)程中激光穿過(guò)等離子體后的光強(qiáng)變化。

圖2 激光誘導(dǎo)等離子體實(shí)驗(yàn)光路Fig.2 Schematic diagram of laser induced plasma experiment

2 脈沖激光輻照SiC 的數(shù)值模擬

較高功率密度的脈沖激光輻照材料時(shí)，材料經(jīng)歷加熱、熔化和汽化過(guò)程，表面產(chǎn)生高速蒸氣，材料的溫度服從熱傳導(dǎo)方程。由于材料對(duì)激光的吸收深度為納米量級(jí)，遠(yuǎn)小于光斑直徑，因此，材料溫度的求解可簡(jiǎn)化成一維空間上的求解[11]

各組分的電離度可用Saha 方程描述[11]。激光強(qiáng)度小于1013W/cm2時(shí)，逆韌致吸收是蒸氣中最主要的吸收機(jī)制，總的逆韌致吸收包括電子-中性粒子的逆韌致吸收和電子-離子的逆韌致吸收。電子-中性粒子的逆韌致吸收系數(shù)和電子-離子的逆韌致吸收系數(shù)的表達(dá)式分別為[11]

3 結(jié)果及討論

圖3 給出了功率密度為3.2×108、4.0×108和4.3×108W/cm2的脈沖激光輻照后SiC 的典型燒蝕形貌照片和燒蝕形貌的三維顯微圖。利用顯微鏡的三維測(cè)量功能獲得了燒蝕坑形狀的三維數(shù)據(jù)。激光輻照后，SiC 表面形成了一定深度的燒蝕坑，坑深隨著激光功率密度的增加而增大。圖3(b)為圖3(a)中最右側(cè)燒蝕坑的三維顯微圖，該坑的燒蝕深度最大，對(duì)應(yīng)的激光功率密度為4.3×108W/cm2。

圖3 SiC 的燒蝕形貌Fig.3 Аblation morphology of SiC materials

圖4(a)是SiC 經(jīng)激光燒蝕后表面的低放大率掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）圖像，可以看出，激光輻照破環(huán)了材料表面，材料內(nèi)部的纖維和基體裸露，纖維和基體呈不規(guī)則分布。圖4(b)～圖4(d)是激光輻照后材料表面的高放大率SEM 圖像和X 射線能譜（energy dispersive spectroscopy，EDS）?？梢钥闯?，燒蝕區(qū)主要由黑色和灰色兩部分組成。相應(yīng)的EDS 圖譜表明：灰色區(qū)域（圖4(b)中А 區(qū)）主要為Si，并含有少量C 和O；黑色區(qū)域（圖4(b)中B 區(qū)）主要為Si 和C，并含有少量O。燒蝕區(qū)出現(xiàn)O 元素表明激光燒蝕過(guò)程中材料發(fā)生了氧化。因此，納秒脈沖激光的燒蝕具有一定的熱效應(yīng)，與超短脈沖激光的燒蝕主要為汽化效應(yīng)的情況有所區(qū)別。

圖4 納秒激光燒蝕SiC 后材料表面的SEM 圖像及EDS 分析結(jié)果Fig.4 SEM images and EDS of SiC materials after nanosecond laser ablation

圖5 給出了燒蝕率隨激光功率密度的變化曲線。可以看出，隨著激光功率密度的增加，燒蝕率相應(yīng)增大。燒蝕率與激光功率密度呈非線性關(guān)系；隨著激光功率的增加，曲線斜率逐漸減??；當(dāng)激光功率密度增加至約2×109W/cm2時(shí)，燒蝕率曲線的斜率大幅降低。其原因是高功率激光與固態(tài)物質(zhì)相互作用時(shí)，固態(tài)物質(zhì)中的電子首先吸收光子的能量，隨后，在皮秒時(shí)間尺度內(nèi)轉(zhuǎn)換為物質(zhì)內(nèi)能，這種能量沉積速度遠(yuǎn)大于熱輻射速度和膨脹做功速度，可以在材料表面形成具有極高的溫度和密度的物質(zhì)，即等離子體[13]，等離子體吸收大量的激光能量，導(dǎo)致最終到達(dá)材料內(nèi)部的有效能量大幅降低。

圖5 燒蝕率隨激光功率密度的變化曲線Fig.5 Variation of ablation rate with laser power density

圖6 顯示了實(shí)驗(yàn)獲得的激光輸出功率密度與數(shù)值仿真得到的實(shí)際到靶功率密度?？梢钥闯觯?5 ns后激光到達(dá)材料內(nèi)部的功率密度較激光輸出功率密度明顯下降，這是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，激光燒蝕的材料表面形成等離子體。

圖6 激光功率密度歷史Fig.6 Histories of laser power density

圖7 為激光誘導(dǎo)等離子體實(shí)驗(yàn)中探測(cè)器測(cè)得的光強(qiáng)歷史數(shù)據(jù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，在激光誘導(dǎo)等離子體發(fā)展過(guò)程中，探測(cè)器測(cè)得的激光強(qiáng)度下降，下降的最大相對(duì)幅值達(dá)75%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

圖7 探測(cè)器測(cè)得的激光的相對(duì)強(qiáng)度歷史Fig.7 History of laser relative intensity measured by the detector

以上結(jié)果表明：想要獲取良好的加工效果，不能一味地增加激光功率，需要結(jié)合相關(guān)作用機(jī)理選擇最佳的加工工藝條件。

4 結(jié) 論

建立了納秒脈沖激光燒蝕SiC 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和激光誘導(dǎo)等離子體實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，基于固體能量方程、流體力學(xué)方程以及蒸氣射流的電離與光吸收理論建立了納秒脈沖激光與材料相互作用的數(shù)值模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法研究了納秒激光輻照SiC 的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)研究表明：一定功率密度下納秒脈沖激光燒蝕SiC 形成燒蝕坑，燒蝕坑內(nèi)形貌起伏不平；在燒蝕過(guò)程中，材料表面存在一定的熱影響區(qū)，導(dǎo)致部分材料被氧化。數(shù)值模擬研究表明：燒蝕率與激光功率密度呈非線性，當(dāng)激光功率密度增加至約2×109W/cm2時(shí)，脈沖激光的燒蝕率大幅下降，其原因是激光誘導(dǎo)的等離子體吸收了大量激光能量，導(dǎo)致到達(dá)材料表面的能量大幅降低。因此，納秒脈沖激光加工需要結(jié)合相關(guān)作用機(jī)制探索最佳加工工藝條件。此外，由于納秒脈沖激光加工附帶一定的熱效應(yīng)，導(dǎo)致加工面不光滑，因此，還需對(duì)表面的光滑程度進(jìn)行表征和測(cè)量，以匹配工程應(yīng)用需求。