超短脉冲激光烧蚀技术应用探究

王耀德+++李昌立

摘 要：近年来随着超短脉冲激光烧蚀技术的发展，该技术被广泛应用于工业领域。短脉冲激光与物质相互作用时间介于纳秒与飞秒之间，其峰值功率可达兆瓦级，因此在加工中可应用于高精度、高硬材料的精细加工上，同时也可以实现材料的三维加工，该方式称为“冷”加工。文章旨在介绍超短脉冲技术的应用研究，使人们对该技术有一定的宏观认识。

关键词：超短脉冲；激光烧蚀；应用探究；宏观认识

1 短脉冲激光器与金属相互作用理论

短脉冲诱导烧蚀材料的过程的建立需要一定的时间，并且与激光强度有直接关系。当脉宽给定时，只有当激光场的强度超过一定值时，形成的等离子体才能发生不可逆的损伤阈值，该阈值范围通常以激光的能流阈值表示。根据文献指出，脉冲宽度从连续到几十个皮秒范围内，烧蚀过程为离子雪崩过程，开始于内部电子。通过对超短脉宽烧蚀阈值的研究发现，当偏离了脉冲宽度平方根法则的时候，能量在很大范围内变动均可引起材料的烧蚀，如图1所示为超短脉冲激与金属作用的过程。

当前人们于超短脉冲激光烧蚀物质的机理和研究还没有获得完全的认知，研究的模型是将物质看做一个总体的系统去考虑，只有达到了该物质的沸点或熔点时，使得物质蒸发或者熔化而使材料被去除。应用傅里叶传热模型对上述过程可进行具体的描述，但是他不适用于描述和分析超短脉冲激光与金属薄膜或者介质膜的作用过程。原因是由于载流子的特征尺寸与膜层的厚度相当，同时其特征时间与传输能量的时间接近。

当超短脉冲激光与金属材料作用发生激光烧蚀时，材料的表面的电子吸收激光的能量后变为非平衡状态，发生了相互制约的现象。造成电子爆炸运动速度接近于费米速率。同时热电子通过碰撞作用使得内部电子获得加热，之后参与碰撞的电子达到短暂的呈费米分布的热平衡态。电子与晶格通过碰撞耦合效应，使得电子温度降低和晶格温度升高，最终电子温度与材料的晶格温度达到平衡。

2 短脉冲激光烧蚀研究方法

激光烧蚀的研究方法包括：实验方法测定，理论计算分析和数值模拟。实验方法能够准确的对后两种方法进行检验。但实验方法需要的成本巨大。理论计算分析和数值模拟方法是一种对于研究激光烧蚀问题的非常有的方法，其理论分析过程非常严谨，但是也存在一定的边界条件限制，需要进行相应的假设，处理问题的范围有限。但其可低成本、高精度模拟短脉冲烧蚀机理内的复杂问题，一直是各大科研院校应用的最广泛的方法。若条件允许会采用实验方法进行验证，不断修正算法达到近乎理想的模拟及精密数值计算水平。

3 短脉冲激光烧蚀应用探究

短脉冲激光烧蚀技术应用十分广泛，几乎涉及到所有工业加工制造领域。光信息存储应用方面，飞秒激光烧蚀技术现在可以在透明材料介质中，实现三维光存储技术。通过利用1064nm和248nm组合脉冲激光器制备的银纳米颗粒，可应用与表面增强拉曼散射光谱技术中，可以探讨这两种Ag纳米颗粒与探针对羟基苯甲酸的吸附行为。

纳皮秒激光感生击穿光谱技术（LIBS）可应用与测量土壤中有害重金属含量。激光烧蚀固体进样法，可以精密的测定出固体样品中各种元素的含量，有利于加工制造符合掺杂比的材料。

在海洋地质研究中，电耦合等离子体质谱与激光烧蚀技术的联用探查海底矿藏含量或矿脉中也获得了巨大的应用。航空领域中，应用激光烧蚀技术，产生的推力，已经实现了激光微型喷射器的研制，并已应用于微型卫星的轨道定向制动中。在核电站领域中，激光烧蚀技术广泛应用于内热控隔层中等离子体表面器件上的除氚的碳沉积过程

4 结束语

通过对短脉冲激光技术的探究，介绍了超短脉冲激光器与金属相互作用的经典理论和作用过程，以及超短脉冲激光烧蚀技术在多种领域内的应用范围，论证了未来超短脉冲烧蚀技术具有非常好的应用前景。

参考文献

[1]Hohlfeld J，Wellershoff S S，Güdde J， et al. Electron and lattice dynamics following optical excitation of metals[J].Chemical Physics， 2000，251（1-3）：237-258.

[2]Chen J K，Beraun J E. Numerical study of ultrashort laser pulse interactions with metal films[J].Numerical Heat Transfer Part A - Applications，2001，40（40）：1-20.

作者簡介：王耀德，单位：长春理工大学 理学院，硕士研究生，主要研究方向：短脉冲激光烧蚀技术。

*通讯作者：李昌立，单位：长春理工大学 理学院，博士研究生，职称：博士生导师，教授。