长脉冲激光与金属相互作用的影响

庞博

摘 要 文章主要研究对象为长脉冲激光和金属材料，首先分析了长脉冲激光可能对金属产生的影响，然后通过理论与实际相结合的方式，又针对长脉冲激光对物质的作用展开了探究，希望文中讨论的内容可以在某些方面给相关人员以启发。

【关键词】长脉冲激光 金属 相互作用

长脉冲激光和金属之间发生相互作用后，产生的结果之一便是金属材料被激光破坏，能够影响相互作用过程及结果的因素不仅局限于激光和金属材料特性这两个方面，也会受到外部环境的影响。以波长、脉宽、重复率为代表的与长脉冲激光特性密切相关的因素，都会对相互作用的过程产生影响，针对其所开展的研究工作，也具有一定的现实意义。

1 长脉冲激光对金属的影响

1.1 热物理性质

利用激光束对向同性均匀物体进行加热，可以通过对激光能量进行吸收以及热扩散的方式，使得物体边界发生相应的热流运动，各处温度自然也会出现相应的变化。物体形状、边界条件、热物理性质和激光加载条件，对物体温度场的变化具有决定性作用。针对激光加热所进行的计算，需要应用到物体热导率、比热容以及热扩散率，另外，在变化过程中还需要对潜热、气化温度和熔化温度的数值加以考虑，这主要是因为上述内容均与物体温度之间存在着密切的联系。

1.2 物体温度场的变化

想要对物体温度场加以确定，关键在于明确激光加载的条件，一般来说，体热源或面热源所对应数值应为被吸收光强或是激光能量，当然，在特定条件下，还会有表面辐射损失等其他冷却或热源条件存在于边界之上。对不同介质而言，想要实现界面热接触的条件较为复杂，在理想状况下，界面两侧所对应温度以及热流量数值应当相同，但是热接触面两侧温度在大多数情况下都会出现间断的问题，此时对热阻进行计算应用的公式则是：对温度差通关热量值进行除法处理，最终得出的商数便是该界面的热阻。一旦物体某处与熔点数值持平，短时间内温度不再上升，待所积累热能能够满足该处熔融潜热所需，才会进一步熔化，成为固态液体。

2 长脉冲激光对物质的作用

2.1 吸收并转化激光能量

简单来说，物体吸收激光的过程，就是物体内部振子、电荷和激光电磁场间相互作用的过程，但从本质上来说，这一过程则更为复杂，需要涉及到对吸收光谱进行测量的工作。在固体材料中，若激光能量是在趋肤深度被吸收的，那么通过对这部分能量的转化，束缚电子或自由电子所对应平均动能的数值便会有所增加，其中大部分能量会通过电子和离子间的相互作用，再次转化成为材料表面热能，当然，除此之外还存在着以粒子发射效应为代表的其他转化机制，需要引起注意。

2.2 金属受温度、表面状况的影响

2.2.1 温度

在诸多与金属所具有光学特性存在内在联系的因素中，具有代表性的应为电导率，以直流电导率数据为参考，能够得出吸收率以及反射率在理论上的数值，由于直流电导率和温度之间存在着明显的联系，因此，金属所具有光学特性和温度之间也存在着一定的联系。处于熔化状态下的金属，所具有电阻率会呈现出明显上升的趋势，液态金属所对应电阻率，在特定情况下可达处于熔点温度的固态电阻率的两倍或以上，也就是说，熔点处反射率下降、吸收系数上升。另外，随着温度的线性上升，液态金属所具有电阻率也会逐渐上升，需要引起注意的是，以Bi為代表的金属，由于存在反常热膨胀的性质，因此，电阻率在熔融过程中会出现突降的情况，且受温度影响较小。以1064nm光束为主体，针对光滑金属表面所具有吸收率和温度间的关系展开研究，结果如图1所示。

2.2.2 表面状况

若金属样品表面存在溅射、蒸镀等光学薄膜，并在真空状态下时，无论是吸收率还是反射率受温度变化的影响与实验值间均存在高度的统一。但是实验样品、工件往往无法不具备此种制备，材料表面的缺陷、杂质、粗糙度等因素都会在一定程度上对其所具有的激光反射率产生影响，进而对能量耦合产生影响。对生物体、复合材料等而言，其表面情况则更加复杂，由于该类材料无法实现与金属物品相同的精密制造，因此，漫反射作用相对明显，在对这部分内容进行研究时，常用的研究法为积分球方法。金属表面较易受激光加热影响出现氧化的情况，而氧化层所对应结构、厚度、消光系数以及折射系数，对金属激光吸收率而言均具有决定性作用，若氧化层厚度处于Δ-λ/2nˊ这一范围，那么发生在氧化层上、下表面之间的干涉效应，会使得吸收率出现大幅度的增加。

3 结论

通过对上文所叙述的内容进行分析能够看出，长脉冲激光和金属间的相互作用，可以被视为金属物体对激光进行吸收，但是从本质上来说，这一过程极为复杂，需要掌握物体内部结构、光发射以及吸收的特征。文章主要以物质吸收、转化以及反射激光时的基本机制作为切入点，对长脉冲激光和金属之间存在的相互作用展开了分析，希望今后在开展激光加工、打标等工作时，相关人员能够明确激光和物质间存在的关联与相互作用，保证工作效率的提高。

参考文献

[1]何雅静，王伟，许本志，朱晓，齐丽君，朱长虹.复合脉冲深度激光打孔的实验研究[J].激光技术，2017，41（03）：380-384.

[2]张一鸣.长脉冲激光致金属熔融喷溅的理论研究[D].南京理工大学，2013.

工作单位

长春理工大学 吉林省长春市 130023