超短脉冲激光对岩石的烧蚀作用研究

郑志远,杨 楠,徐金泽,魏广飞,张自力,吴秀文,周惟公

(中国地质大学矿物材料开放应用国家专业实验室,北京100083)

1 引 言

激光技术是20世纪60年代在量子物理学、光子光谱学、无线电电子技术基础上兴起的一门多学科结合的科学技术,这种基于受激辐射而获得的特殊光具有方向性强、亮度高、单色性和相干性好的特点.这些特点使得激光技术在各个领域得到了广泛的应用,激光钻井技术和激光剥离电感耦合等离子体质谱技术便是激光技术应用在地质领域的很好的体现[1-6].对于这2种技术而言,其中的本质问题之一都是激光与岩石相互作用.

当高强度的激光束作用于岩石表面时,部分能量被岩石吸收,其余都被反射和散射损失掉.当岩石吸收的能量超过本身的离化阈值时,就会发生系列复杂的物理化学反应,如破碎、分解、熔化、汽化等.同时由于岩石层中的岩石多数以饱油、饱水或饱气的状态埋藏在高温高压的深层地下环境中,因此,激光与岩石的相互作用还要受多种外在因素的影响.探讨激光与岩石相互作用的机理,不仅要考虑到所使用的激光波长、频率、功率密度等对破岩效率的影响,同时也要考虑岩石本身的性质和所处的环境因素的影响.本文选取了红砂岩、花岗岩、大理岩典型岩石作为代表,对其干燥状态和浸水后,纳秒脉冲激光对它们的烧蚀情况进行了初步研究.

2 实验方法

实验是在中国地质大学(北京)物理实验中心完成的,图1为实验装置示意图.波长为532 nm、宽度为10 ns的脉冲激光经聚焦镜(f=75 mm,φ=38 mm)聚焦到岩石靶的表面,入射激光能量为100 mJ.圆形岩石靶的直径为30 mm,厚度为2 mm,表面抛光.入射激光的频率可以调节,分别为1,5,10,20 Hz.岩石靶的质量损失由精度为0.01 mg的天平获得.浸水岩石靶的烧蚀质量损失是首先在干燥状态下获得质量,然后在水中浸泡10 d,取出后将表面上的水擦干,放到干板夹固定后进行激光烧蚀.烧蚀后再在干燥箱中加热干燥,直至全部水分消除后再获取其质量.

图1 实验装置示意图

3 结果及分析

激光所具有的特性使激光与物质的相互作用很特殊.通常把单脉冲激光与物质的相互作用分为2个阶段:首先是低能量密度阶段,在这个阶段,激光产生的压力还不足以引起物质的破坏,但是却足以诱发某些甚至是不可逆的相变;其次是高能量密度阶段,此时物质表面材料迅速发生电离,组织结构遭到破坏,当激光功率密度达到一定值时,物质表面的材料会发生溅射,形成激光蒸发;当激光功率密度继续提高,超过某一阈值,材料表面在激光的诱导下,就会形成高温蒸发气体或者等离子体[7].

图2为红砂岩在干燥和浸水条件下,烧蚀质量损失与入射激光频率的关系,其中质量损失为激光每发的平均值.从图中可以看出,在入射激光频率为1 Hz时,浸水后的红砂岩的每发质量损失为8.1μg,明显大于干燥条件下的每发质量损失2.06μg.随着激光入射频率的增加,浸水后的红砂岩样品的质量损失迅速下降,最后趋于干燥条件下靶的质量损失.这是由于红砂岩浸泡后,充分吸收水分,加大了对激光能量的吸收,使得质量损失大幅度提高.但由于等离子体对入射激光脉冲有一定的屏蔽作用,阻止了部分能量直接到达岩石表面,使部分激光与等离子体作用,而不是岩石.所以随着入射频率的增加,烧蚀质量呈现下降的趋势.另一方面,由于脉冲激光的连续烧蚀,使得烧蚀区域的水分已经汽化,这时浸水后的岩石靶已经相当于干燥条件下,所以在高的激光入射频率下,2种状态下的质量损失呈现出大致相同的数值.

图2 干燥与浸水后红砂岩的烧蚀频率与质量损失的关系

图3为干燥和浸水后2种条件下,不同入射激光频率烧蚀红砂岩后的形貌,入射激光能量为100 mJ,烧蚀发次为 300.图3中并没有给出1 Hz下的烧蚀形貌,主要是由于对于相同的烧蚀发次,1 Hz所需时间较长,为保障激光与相同条件下的岩石面相互作用,只能通过不断改变烧蚀区域以实现相同的发次.所以,为了便于比较,只给出了5,10,20 Hz的烧蚀形貌.从图中可以看出,相对于干燥条件下,浸水后的烧蚀孔边缘相对平滑.就烧蚀孔径而言,在入射频率为10 Hz时,孔径较大.这与图2中在该频率下质量损失较大的结果是一致的.

图3 不同入射激光频率下干燥和浸水后红砂岩的烧蚀形貌

从图2中可以看出,1 Hz条件2种状态下的质量损失相差明显,为了进一步研究其原因,对质量损失与烧蚀发次的关系进行了研究(图4所示).从图中可以看出,浸水后的质量损失明显大于干燥条件下的质量损失.同时,随着烧蚀发次的增多,2种条件下的烧蚀结果趋于一致.这主要是由于两方面的原因:一是由于随着激光入射发次的增多,激光烧蚀区域的水分汽化,当水分几乎全部汽化后,激光与岩石的作用相当于在干燥条件下进行,对于这一点,在前面也探讨过;另一方面,由于激光不断烧蚀,与激光相互作用的岩石表面在不断地变化,这时的岩石表面已经离开了激光的最佳聚焦位置,使得激光功率密度降低,这同样会引起烧蚀质量的下降.

图4 入射激光为1 Hz时干燥与浸水后红砂岩的质量损失与激光烧蚀发次的关系

图5给出红砂岩在不同入射激光能量 f=1 Hz下的单发质量损失.从图中可看出,随着入射激光能量的增加,质量损失呈现上升趋势,同时浸水后的质量损失明显大于干燥环境下的质量损失.由于干燥条件下的质量损失较小,入射激光为55 mJ时的质量损失在实验中没有被测量出.

图5 红砂岩在不同入射激光能量下的单发质量损失

激光与岩石相互作用的过程中,激光辐照原始岩体,沉积的能量与材料的组分以及空隙率等有关[8-9].表1为在干燥条件下,激光烧蚀大理岩、花岗岩和红砂岩的烧蚀质量损失.激光与花岗岩、大理岩和红砂岩相互作用中,由于红砂岩空隙率最大,激光辐照烧蚀的效果相对较差,同时受材料组分的影响,最致密的花岗岩的烧蚀效果不如大理岩.

表1 干燥条件下,不同岩石种类的单发烧蚀质量损失

4 结束语

对激光与不同状态、不同岩石的烧蚀效果进行了研究.结果发现,激光的烧蚀质量损失与岩石的状态、岩石种类、激光的入射频率、入射发次等多种因素有关.但就所处的环境而言,浸水后的烧蚀效果明显好于干燥条件下的烧烛效果,这一点有很好的现实意义,例如激光钻井中的岩石都是处于饱水的状态中.本文只是简单探讨了干燥和浸水后的情况,实际上,岩石处于高温、高压、饱水、饱油等复杂的环境中,研究激光与其作用是非常复杂的过程,还需要进行大量、细致的工作.

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