聚焦激光剝蝕鐵靶實驗設計探析

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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用．目前國內(nèi)很多高校開設光電子科學與技術專業(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．雖然學生做了很多光學方面的物理實驗，但沒有經(jīng)過激光實驗訓練，學生仍然很難將激光原理與物理學、生物學、醫(yī)學等其他相關學科交叉學習，對激光器工作原理、結構、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設備測試自由運轉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，響應時間τ＜15ns），探測到部分反射光信號，轉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，由于該過程反應劇烈，部分熔融物飛濺出去，導致鐵片的剝蝕發(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結束語

為了提高光電子科學與技術及光信息處理專業(yè)學生的激光技術水平，將激光原理與實驗相結合，并在實驗中進行了聚焦激光剝蝕鐵靶的實驗，采用相關的實驗設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中時，學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，在教學上有助于學生加深對激光理論的理解，促進理論與實驗的完美結合．本實驗進程中學生將分析激光聚焦過程中的經(jīng)驗與教訓，在總結失敗經(jīng)驗的基礎上順利完成激光的聚焦，間接提高學生分析問題與解決問題的能力，促進了學生不同程度創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

作者：呂濤 陳昉 單位：中國地質(zhì)大學（武漢）數(shù)理學院