聚焦激光剝蝕鐵靶實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探析
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自從1960年美國(guó)人梅曼制作了世界上第一臺(tái)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(guó)內(nèi)很多高校開(kāi)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(gè)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(shí)驗(yàn)，但沒(méi)有經(jīng)過(guò)激光實(shí)驗(yàn)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(duì)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(cè)試沒(méi)有感性認(rèn)識(shí)．為了彌補(bǔ)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(cè)試自由運(yùn)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(cè)，以評(píng)價(jià)不同激光參量對(duì)剝蝕后形成的凹坑形貌的影響．
1激光參量測(cè)試
激光剝蝕靶材前測(cè)量自由運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖鈥激光參量。
1）測(cè)激光能量．為防止激光對(duì)光功率能量計(jì)探測(cè)器敏感端面造成損傷，激光器出光端面距光功率能量計(jì)（以色列Ophir公司，表頭NOVAII，探測(cè)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(jì)探測(cè)器上，探測(cè)結(jié)果在附帶表頭上動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示．?dāng)?shù)據(jù)采集軟件可動(dòng)態(tài)顯示激光能量／功率隨時(shí)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(yùn)用數(shù)據(jù)軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，用Origin8．0軟件對(duì)保存的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行必要的處理．
2）測(cè)激光脈寬．距離光功率能量計(jì)探頭50mm處，以一定角度放置光電探測(cè)器（PV－3，波蘭Vigo公司，響應(yīng)時(shí)間τ＜15ns），探測(cè)到部分反射光信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)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(shí)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(shí)探測(cè)到的瞬時(shí)能量為2．17J，5s內(nèi)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)偏差為61．32mJ，探測(cè)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(shí)，對(duì)應(yīng)的激光脈寬分別為1010μs，952μs，598μs．由于脈沖激光能量波動(dòng)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
2．1實(shí)驗(yàn)流程
由于2．1μm波長(zhǎng)鈥激光在普通的玻璃材料制作凸透鏡中傳輸時(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)．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(gè)脈沖，每組參量的實(shí)驗(yàn)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(dòng)控制．為了實(shí)現(xiàn)打孔的精確定位，可以利用調(diào)整架對(duì)靶材位置進(jìn)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(dòng)靶材后均不能打孔，則可定位聚焦點(diǎn)．
2．2實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)凹坑表面形狀更規(guī)則．因?yàn)榫劢构獍叩男蚊蚕嗤瑢?duì)于離聚焦中心一定距離的點(diǎn)來(lái)說(shuō)，短脈寬時(shí)該點(diǎn)處激光功率密度高，鐵的熔融過(guò)程顯著，鐵片被剝蝕．激光脈寬長(zhǎng)時(shí)，激光功率密度低于剝蝕閾值時(shí)沒(méi)有剝蝕現(xiàn)象發(fā)生．（a）和（b）2組實(shí)驗(yàn)中的凹坑內(nèi)部顏色呈以藍(lán)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(shí)驗(yàn)條件下的剝蝕產(chǎn)物成分更為復(fù)雜．對(duì)于圖（a1）～（c1），凹坑內(nèi)壁可見(jiàn)環(huán)狀分層的紋路，這是因?yàn)殍F片受激光輻照后升溫，進(jìn)而熔化，由于該過(guò)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(guò)程，在下次剝蝕發(fā)生前，熔融物冷卻時(shí)會(huì)留下痕跡，即圖中藍(lán)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(lái)越規(guī)則，從橢圓漸變?yōu)榻茍A形．凹坑（a1）～（c1）可見(jiàn)的紋路個(gè)數(shù)分別為6個(gè)、7個(gè)、9個(gè)，并不是激光脈沖個(gè)數(shù)10個(gè)，這是因?yàn)椋?）部分凹坑底部視野模糊，無(wú)法觀測(cè)清楚；2）鐵片熔融物分子內(nèi)能高，熔融物在剝蝕過(guò)程中由聚焦點(diǎn)向四周移動(dòng)，其溫度在遠(yuǎn)離激光加熱區(qū)域過(guò)程中不斷降低，最后冷卻并堆積在凹坑邊緣，冷卻物會(huì)覆蓋部分紋路；3）激光脈寬較短時(shí)，激光功率密度高，激光與鐵片反應(yīng)過(guò)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(duì)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(shuō)明長(zhǎng)脈寬脈沖激光對(duì)凹坑內(nèi)部有附帶機(jī)械性損傷，實(shí)際運(yùn)用時(shí)應(yīng)選擇短脈寬的激光，實(shí)現(xiàn)深徑比（凹坑深度與表面直徑比值）大、無(wú)明顯熱損傷或機(jī)械性損傷、凹坑表面光滑且無(wú)剝蝕物沉積的高品質(zhì)固體靶材微孔加工．
3結(jié)束語(yǔ)
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(shí)驗(yàn)相結(jié)合，并在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了聚焦激光剝蝕鐵靶的實(shí)驗(yàn)，采用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)試了激光的能量、脈沖寬度及工作頻率參量．該實(shí)驗(yàn)用在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中時(shí)，學(xué)生首次見(jiàn)到了書本上描述的激光器，體驗(yàn)了測(cè)試激光參量的流程，在教學(xué)上有助于學(xué)生加深對(duì)激光理論的理解，促進(jìn)理論與實(shí)驗(yàn)的完美結(jié)合．本實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中學(xué)生將分析激光聚焦過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，在總結(jié)失敗經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上順利完成激光的聚焦，間接提高學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，促進(jìn)了學(xué)生不同程度創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。
作者：呂濤 陳昉 單位：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）數(shù)理學(xué)院