单晶铁金属表面污染物的激光烧蚀机理∗

2018-12-14白清顺张凯沈荣琦张飞虎苗心向袁晓东

物理学报 2018年23期

关键词：单晶基底原子

白清顺张凯沈荣琦张飞虎苗心向袁晓东

1)(哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨 150000)

2)(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,绵阳 621900)

(2018年5月23日收到;2018年8月24日收到修改稿)

1 引言

随着高功率激光装置的不断发展[1−3],对装置元器件负载能力的要求不断提高,目前元器件的污染问题已经成为制约激光惯性约束核聚变发展的瓶颈问题之一.高功率激光装置内部机械结构件与光学元件是密不可分的,激光作用下机械结构件表面的污染物将扩散到光学元件表面,在激光的作用下引起光学元件的损伤[4,5],进而影响装置的整体性能.高功率激光装置的特殊环境要求某些金属构件或光学元件达到超洁净要求,并且具备超洁净制造的能力[6,7].对高功率激光装置内部污染物的成分分析表明:污染物通常包含有机污染物、无机污染物和金属颗粒污染物.兰州空间物理研究所通过实验方法对机械结构件表面有机污染物的成分进行分析,研究结果表明有机污染物以烷烃为主[8].Raman等[9]和Bude等[10]的研究表明不同类型的颗粒污染物将对光学元件表面造成不同的损伤形貌.Manenkov[11]对激光作用下污染物诱导光学材料的损伤机理进行了研究,研究表明污染物热量的非线性增长将导致污染物附近的光学材料产生光化电离现象.在聚变装置激光直接驱动加载准等熵压缩的研究中,结果表明:超高压同时保持低温状态对激光加载金属靶产生影响[12].此外还有一些学者对光学材料表面的氢氟酸刻蚀等处理工艺进行研究,旨在提高光学元件表面洁净度,提高光学材料的激光损伤阈值[13−15].目前的研究主要集中在抑制光学材料表面吸附污染物对光学材料的损伤方面[16−18],而高功率激光装置内部的金属颗粒污染物和有机污染物大多来源于机械构件.因此有必要对激光作用下机械构件表面污染物的扩散情况进行研究,从污染物的来源上对其分析.采用精密超精密加工工艺获得的机械构件引入的金属颗粒污染物多来自于切屑,或者是激光作用下微观损伤所形成的金属微屑[19].同时,精密运动机构内部的微量油脂是其有机污染物的主要来源.因此,本文采用十二烷分子和切屑分别模拟金属构件表面的有机污染物和金属颗粒污染物.

2 仿真模型与参数设置

在建立仿真模型的过程中,本文分别采用切屑和十二烷作为单晶铁表面吸附的金属颗粒污染物和有机污染物.单晶铁基体材料的尺寸为120 Å×120 Å×140 Å,金属颗粒污染物切屑为直径40 Å的球体,有机污染物十二烷分子的数量为100个.取单晶铁的(1 0 0)晶面平行于xoy平面,在x和y方向施加周期性边界条件,污染物沿z轴的负方向吸附到铁表面上.选择嵌入原子法(embedded atom method,EAM)势函数描述铁原子之间的相互作用,并采用L-J势描述十二烷分子与铁原子之间的相互作用[20],截断半径为10 Å.表1所列为仿真采用的参数.结合Lorentz-Berthelot法则,可以得到不同原子之间的相互作用力,具体表现形式如(1)式所示[21].选取污染物吸附到单晶铁表面的稳态构型作为激光烧蚀污染金属的初始模型.颗粒污染物和十二烷污染物吸附的初始构型和稳态构型分别如图1和图2所示.颗粒污染物和十二烷污染物吸附的初始构型皆为球形,稳态吸附后二者表现不同的形式.其中,颗粒污染物吸附后表现为椭球型,而十二烷污染物则铺展在单晶铁表面.

式中εi和εj分别表示同类原子i和j相互作用时的势阱深度,反应两个原子间相互吸引作用的强弱;εij表示不同类原子i和j相互作用时的势阱深度;σi和σj分别表示同类原子i和j作用势等于零时原子间的距离;σij表示不同类原子i和j作用势等于零时原子间的距离.

表1 模型的L-J势函数参数Table 1 .L-J potential function parameters of the model.

图1 颗粒污染物在单晶铁表面吸附的初始构型和稳态构型(a)初始构型;(b)稳态构型Fig.1 .Initial and steady-state conf i gurations of particulate contaminants adsorbed on single crystal iron surface:(a)Initial conf i guration;(b)steady state conf i guration.

图2 十二烷污染物在单晶铁表面吸附的初始构型和稳态构型(a)初始构型;(b)稳态构型Fig.2 .Initial and steady-state conf i gurations of dodecane pollutants adsorption on single crystal iron surface:(a)Initial conf i guration;(b)steady-state conf i guration.

分别采用功率密度为0.0159和0.1014 J/cm2的激光沿z轴负方向辐照表面吸附切屑和十二烷分子的单晶铁,脉宽为1 ps.模型的初始温度满足300 K下的高斯分布,激光加载前系统进行平衡态模拟,在宏观正则系综(NVT)下进行.当激光辐照后,整个模拟过程在微正则系综(NVE)下进行.由于激光与金属材料之间的相互作用是十分复杂的能量传递过程,材料的反射率、吸收率等参数对烧蚀过程具有重要的影响.激光的波长远大于原子尺度,其对烧蚀也将产生影响.为了重点分析给定激光能量密度下激光作用于污染物原子之后对基体的损伤情况,因此本文采用简化模型进行描述.模型忽略材料对激光反射率的作用,简化了激光波长的作用,认为激光持续作用到污染物材料微观区域上,激光辐照的能量全部被污染物原子吸收.污染物原子吸收的能量沿z轴负方向呈指数衰减,吸收能量后的污染物原子将能量传递给单晶铁进行烧蚀.模拟系统中激光沿z轴负方向辐照,距离激光辐照表面z长度处粒子吸收的激光能量可以通过(2)式进行计算[22],

式中I0表示入射激光的初始光强,z为激光辐照表面的距离.激光作用表面吸附污染物单晶铁基体的初始模型如图3所示.其中图3(a)为单晶铁表面吸附切屑污染物的初始模型,图3(b)为单晶铁表面吸附十二烷污染物的初始模型.

图3 激光作用表面吸附污染物的单晶铁基体初始模型(a)单晶铁表面吸附切屑污染物;(b)单晶铁表面吸附十二烷污染物Fig.3 .Initial model of single crystal iron absorbed pollutants by laser irradiation on surface:(a)Adsorption of chip contaminants on surface of single crystal iron;(b)adsorption of dodecane pollutants on single crystal iron.

3 结果与讨论

3.1 烧蚀现象分析

根据污染物的属性不同,分别研究了激光烧蚀表面吸附有切屑和十二烷分子单晶铁基体的变化过程,分析了污染物对单晶铁的影响情况.研究表明:污染物对激光烧蚀单晶铁具有重要的影响.当激光作用在无污染物的单晶铁表面时,光能首先沉积在金属自由电子中,随后金属电子吸收的能量开始在内部弛豫,最后通过电子-声子耦合相互作用将动能或热能传递给晶格.能量逐渐传递到单晶铁材料的各个部分,吸收较多能量的材料将被烧蚀.

而当单晶铁表面吸附污染物时,根据本文简化模型的仿真结果,认为激光能量全部被污染物吸收.此时,激光能量超过污染物的原子间作用力,破坏了污染物原本的稳态结构.获得较高能量的污染物原子溅射到单晶铁表面,并以动能或热能的形式传递能量,对单晶铁材料进行烧蚀.当单晶铁表面吸附污染物时,单晶铁材料发生烧蚀时的激光能量密度明显降低.由此可以证明污染物的存在将加剧单晶铁材料的损伤.

1)激光烧蚀表面吸附切屑的单晶铁

采用单晶铁表面吸附切屑污染物的仿真模型,进行了5 ps的平衡态模拟和295 ps激光-切屑-单晶铁相互作用过程的模拟.烧蚀过程中的瞬间原子位图及相应时刻的系统动能如图4(a)所示.初始时刻切屑吸附在铁材料表面,铁材料和切屑原子规则排列.加载激光后切屑原子吸收能量产生相变,克服金属原子之间的相互作用力以较快的速度向外溅射.当温度较高的原子运动到铁表面时,通过热量的传递导致材料烧蚀,单晶铁表面原子吸收能量脱离基体产生相变,此时能量传递以热传导为主.随着时间的推移,具有较高能量的原子部分远离单晶铁基底表面,部分被重新吸附到铁材料表面,单晶铁基体开始趋衡,能量较高的原子逐渐将能量向下传递,系统逐渐趋于稳定状态.

图4 激光烧蚀过程中的瞬间原子位图和系统动能图 (a)单晶铁表面吸附切屑;(b)单晶铁表面吸附十二烷Fig.4 .Transient atomic position and system kinetic energy during laser ablation:(a)Adsorption of chip on surface of single crystal iron;(b)adsorption of dodecane on single crystal iron.

2)激光烧蚀表面吸附有机物的单晶铁

利用单晶铁表面吸附十二烷污染物的原始模型,进行了0.5 ps的平衡态模拟和50 ps激光-十二烷分子-单晶铁相互作用过程的模拟.烧蚀过程中的瞬间原子位图及相应时刻的系统动能如图4(b)所示.可以看出,初始时刻有机物分子在单晶铁表面分层排列,加载激光后有机物分子吸收能量超过单晶铁对有机物分子的吸附力,位于表面的有机物分子率先脱离基底表面,位于内部的有机物分子与单晶铁表面原子产生剧烈碰撞而传递能量,最终导致材料的烧蚀.当有机物分子全部脱离单晶铁表面时,单晶铁基底开始趋向平衡状态,能量分布逐渐均匀,恢复规则的晶体结构.

3.2 烧蚀区和熔化区分析

在强激光作用下,污染物吸收能量与单晶铁表面原子剧烈碰撞导致材料表面的烧蚀.根据单晶铁基体原子结构分布情况将其分成烧蚀区、熔化区和晶体区.烧蚀区原子规则的晶体结构被严重破坏,粒子由固态转变为气态.熔化区原子的初始结构破坏程度较低,原子处于熔融态.晶体区原子吸收较少能量动能增大,但仍保持原有的晶体结构.为了进一步分析激光对基底材料造成的损伤影响,采用温度和质量密度作为判断材料被烧蚀和熔化的依据,进一步确定材料的烧蚀深度和熔化深度.

在模拟过程中,将基底原子沿模拟区域z轴方向,将基底划分出25个12 nm×12 nm×0.286 nm的区域,其中12 nm为模拟材料沿x方向和y方向的长度,0.286 nm为材料的晶格常数.分别考察表面吸附切屑和有机物时基底材料烧蚀过程中各区域的温度和质量密度的变化情况.图5(a)和图5(b)分别表示单晶铁表面吸附切屑和有机物时各区域温度变化情况.

对比图5中材料各区域温度变化情况可以发现,由于材料烧蚀区和熔化区原子受激光影响,吸收激光能量后温度首先上升.激光加载结束一段时间后,基底材料温度开始趋衡,基底上层温度较高的原子通过碰撞将能量传递给基底下方的原子,基底材料各部分温度逐渐保持一致,烧蚀区和熔化区的温度逐渐下降至稳态温度.材料烧蚀区原子温度急剧升高,达到单晶铁的沸点,所包含的原子被气化,这是由于烧蚀区的原子位于金属材料表面,吸收较多能量.材料熔化区温度升高超过材料的熔点,材料由固态转变为熔融态,由于熔化区原子位于烧蚀区原子下方,激光能量大部分被烧蚀区原子吸收,因此熔化区原子温度变化幅度较小.由于激光能量被单晶铁上方原子吸收,因此晶体区原子基本不受激光影响.随着基底材料的能量趋衡过程,晶体区温度逐渐上升至平衡温度后保持不变.对比表面吸附不同污染物的各区域温度变化情况可以发现,当表面吸附有机污染物时各区域温度均有突变现象.这是由于单个有机物分子能量较大,当加载激光后有机物分子脱离基底表面随机运动,当有机物分子再次与基底材料表面碰撞时,导致基底材料各区域温度产生较大的变化.

图5 激光烧蚀过程中的各区域温度变化 (a)单晶铁表面吸附切屑;(b)单晶铁表面吸附十二烷Fig.5 .Temperature changes in various regions during laser ablation:(a)Adsorption of chip on surface of single crystal iron;(b)adsorption of dodecane on single crystal iron.

质量密度是描述基底材料烧蚀深度和熔化深度的主要依据.当该激光作用区域材料被烧蚀或熔化时,由于材料相态的转变会导致该区域质量密度发生变化.图6所示为不同时刻基底材料各区域的密度分布情况.由图6可知,初始时刻基底材料保持较规则的晶体结构,各区域的密度均为7930 kg/m3,与铁的宏观密度一致.当加载激光后,基底材料由于温度的改变开始发生相变,各区域的密度随着材料的相变而发生变化.8 ps时刻基底材料表层密度下降较多,加载激光后表面原子气化对材料内部施加反冲作用,导致材料内部密度略有上升.随着时间的推移,基底材料不断吸收激光能量,16 ps时刻位于基底上方的区域密度进一步下降.同一时刻越靠近材料表面材料烧蚀现象越严重,材料密度越小,综合各区域的密度变化情况及温度变化情况即可确定材料的烧蚀深度和融化深度.激光加载结束一段时间后基底材料开始趋向平衡状态,25 ps时刻位于基底材料上方的区域密度略有增加,80 ps时刻除材料表层外其他区域密度已基本达到稳定状态,基底材料各区域密度逐渐趋于一致,200 ps时刻基底材料各区域密度保持为7850 kg/m3.系统稳定后基底材料的密度略低于初始时刻的密度,这是由于基底材料在激光加载结束后整体温度有所提高,导致密度略有下降.

图6 不同时刻基底材料各区域的密度分布情况Fig.6 .Density variations in regions of substrate material at various times.

为了进一步观察基底材料烧蚀区、熔化区和晶体区的密度,分别记录3个区域密度随时间的变化情况.激光加载后一段时间内,由于烧蚀区内的粒子吸收较高能量,不断有粒子被气化,因此密度不断下降.随后部分被气化的原子及切屑原子被重新吸附到单晶铁表面,烧蚀区的密度开始逐渐升高.熔化区原子初始时刻由于原子相态的转变导致密度下降,随着温度的下降,熔融态原子重新恢复规则的晶体结构,密度恢复至单晶铁的固态密度.激光加载后单晶铁基体温度整体升高,因此材料晶体区的密度略有下降,如图7所示.对比两种情况可以发现,当单晶铁表面吸附有机物时,初始时刻单晶铁各区域的密度均有较明显的升高,这是由于初始时刻有机物分子在单晶铁表面的分层排列引起的.由于有机物分子的分层排列,初始时刻与单晶铁表面紧邻的有机物分子无法突破上方的油层,与铁表面原子剧烈碰撞并进一步限制了铁基体表面原子的飞溅,因此初始时刻后铁基底各区域密度均表现为略有上升.

图7 激光烧蚀过程中的单晶铁各区域密度的变化 (a)单晶铁表面吸附切屑;(b)单晶铁表面吸附十二烷Fig.7 .Density variations of single crystal iron during laser ablation:(a)Adsorption of chip on surface of single crystal iron;(b)adsorption of dodecane on single crystal iron.

3.3 能量加载方式对材料烧蚀的影响

能量加载方式对材料烧蚀将产生重要的影响.分别选取能量密度为0.0159和0.1014 J/cm2的激光辐照表面吸附切屑和有机物分子的单晶铁表面,激光脉宽分别为1 ps和10 ps,即同样的激光能量分别以1 ps和10 ps的时间加载到单晶铁表面.

不同加载方式下系统动能的变化情况如图8和图9所示,可以发现激光能量瞬时加载时对单晶铁材料影响较大,当激光能量瞬时加载时,1 ps时刻基底材料已经有部分材料被烧蚀,材料热影响区较多.而此时当激光能量较长时间加载时基底材料基本不受影响,基底材料热影响区较少.同样10 ps时刻激光能量瞬时加载导致材料热影响区较多,烧蚀现象较严重.另一方面当加载激光总能量一致时,激光加载结束时刻加载时间较长时系统能量分布较均匀.

图8 不同加载方式下单晶铁表面吸附切屑的动能图 (a)瞬时加载;(b)持续加载Fig.8 .Kinetic energy diagram of single crystal iron adsorbed iron chips in various loading modes:(a)Instantaneous loading;(b)continuous loading.

图9 不同加载方式下单晶铁表面吸附十二烷的动能图 (a)瞬时加载;(b)持续加载Fig.9 .Kinetic energy diagram of single crystal iron adsorbed dodecane in various loading modes:(a)Instantaneous loading;(b)continuous loading.

对比单晶铁基体的势能和动能演化曲线可知,激光脉宽较小时铁材料的势能和动能变化较大,如图10所示.由图10可知,当单晶铁表面吸附切屑时,激光脉宽较小时单晶铁基体势能的变化量是激光脉宽较大时的1.3倍,激光脉宽较小时单晶铁基体动能的变化量是激光脉宽较大时的1.4倍.当单晶铁表面吸附有机物时,激光脉宽较小时单晶铁基体势能的变化量是激光脉宽较大时的1.6倍,激光脉宽较小时单晶铁基体动能的变化量是激光脉宽较大时的2倍.

激光脉宽较小的条件下,材料更容易被烧蚀.当加载激光能量相同时,激光能量加载时间较长时基底材料能量演化较缓和.可以发现激光持续加载时基底材料的动能和势能上升至稳态后基本保持不变,而激光瞬时加载时基底材料的动能势能上升至稳态后波动较大,势能和动能之间不断进行转换.另一方面,对比激光不同加载方式下基底材料烧蚀区温度变化情况,当激光脉宽较小时,基底材料烧蚀区温度明显升高,超过金属材料的沸点,位于烧蚀区域内的原子被气化,并且系统稳定时的平衡温度也相对较高.而当激光脉宽较大时,材料烧蚀区温度上升较少,低于金属材料的沸点,原子不会被气化,此时不会对金属材料产生烧蚀现象.

通过上面的讨论可以发现激光不同能量加载方式对材料烧蚀有显著的影响,这是由于能量加载方式直接影响热量的传递方式.在脉冲宽度较小的条件下,激光能量瞬间释放是一个绝热过程,更容易导致材料的气化和熔化.而脉冲宽度较大的激光能量长时间加载时,其烧蚀机理以热效应为主.此时,材料的相变是能量沉积等因素综合作用的结果.

图10 不同加载方式下表面吸附污染物的单晶铁基体势能、动能和烧蚀区温度演化图 (a)单晶铁表面吸附切屑;(b)单晶铁表面吸附十二烷Fig.10 .Potential energy,kinetic energy and temperature evolution diagrams of ablation area of single crystal iron adsorbed contaminant in various loading modes:(a)Adsorption of chip on surface of single crystal iron;(b)adsorption of twelve alkane on single crystal iron.

3.4 激光能量对材料烧蚀的影响

为了分析激光能量对材料烧蚀的影响,针对单晶铁表面吸附切屑的体系,仿真中分别加载0.0191,0.0159,0.0127,0.0096 J/cm2和0.0064 J/cm25种不同的能量.针对单晶铁表面吸附有机物的体系,仿真中分别加载0.1521,0.1352,0.1183,0.1014,0.0845 J/cm2和0.0676 J/cm26种不同的持续能量.图11所示为不同能量作用下几个时刻材料烧蚀形态对比图.随着激光能量的增大,同一时刻铁材料受影响区域逐渐增大.激光加载结束时刻基底材料均受到不同程度的烧蚀,激光能量越大材料热影响区越多.随后加载激光能量较小的系统已经初步达到平衡状态,此时基底材料各区域基本达到平衡状态.而加载激光能量较大的系统内基底材料仍有部分热影响区,且加载激光能量越大的系统内基底材料的热影响区越多.随着时间的推移,按照激光加载能量由小到大的顺序系统内基底材料将依次达到平衡状态.

图11 表面吸附污染物的单晶铁材料在不同能量激光作用下材料烧蚀形态对比 (a)单晶铁表面吸附切屑;(b)单晶铁表面吸附十二烷Fig.11 .Comparison of ablation patterns of single crystal iron adsorbed iron chips(a)and dodecane(b)in various energies of lasers.

为了进一步定量比较不同激光能量作用下铁材料的热影响区域,根据铁材料各区域的温度及质量密度变化情况确定烧蚀深度和熔化深度.当铁材料表面吸附切屑时,材料表面烧蚀深度为0对应的激光能量密度为0.0064 J/cm2.当铁材料表面吸附有机物时,材料表面烧蚀深度为0对应的激光能量密度为0.0676 J/cm2.此时激光对单晶铁材料的影响可以近似忽略,对比激光作用下表面没有污染物的单晶铁的烧蚀阈值0.18 J/cm2,可知当单晶铁表面吸附污染物时,更容易被激光烧蚀[23].文献[24]的实验研究结果表明当激光能量在一定范围内时,可以去除工件表面上的颗粒污染物且不会对工件表面产生影响,此时激光起到清洗的效果[24],与本文模拟结果一致.