SiC 的纳秒脉冲激光烧蚀特性

张 黎，陶彦辉，黄元杰，殷乾峰，陈加政，张永强，谭福利

（中国工程物理研究院流体物理研究所, 四川 绵阳 621999）

SiC 具有优良的光学、力学和耐高温性能，广泛应用于光学、半导体、热防护等领域。SiC 的硬度大且易碎，给传统加工带来了挑战。激光作为新兴的加工方式，为SiC 的加工提供了便利。迄今为止，激光与物质的相互作用已有大量研究[1–4]，但脉冲激光与SiC 之间的相互作用研究较少。Reitano 等[5]研究了XeCl 准分子脉冲激光辐照下SiC 的烧蚀率与激光功率密度的关系。Mohammed 等[6]开展了АrF 准分子脉冲激光辐照SiC 实验，总结了烧蚀率与激光功率密度之间的关系，并通过数值模拟给出了激光辐照下SiC 的温度曲线。实验研究还表明，SiC 的烧蚀率与脉冲数线性相关[7–8]，但相关物理机理目前尚不明确。蔡敏等[9]通过实验研究了纳秒激光和皮秒激光在SiC/SiC 复合材料上的制孔特征与规律。路宸[10]通过实验研究了激光烧蚀SiC 以及SiC 改性的机理，利用改写的热传导模型计算了烧蚀率。然而，由于脉冲激光与材料的相互作用过程十分复杂，相关研究主要围绕烧蚀实验结果分析和材料温度场计算等方面，对激光辐照下材料烧蚀的动力学过程的机理研究较少。本研究通过实验与理论相结合的方式，探讨纳秒脉冲激光辐照SiC 的机理，以期获得纳秒脉冲激光对SiC 的烧蚀规律，并通过实验与数值模拟分析激光诱导等离子体对烧蚀率的影响。

1 脉冲激光辐照SiC 实验

激光烧蚀实验的光路如图1 所示。光源为Nd：YАG 脉冲激光器，激光波长为1 064 nm，脉宽为10 ns，单脉冲最大能量为200 mJ，重复频率为100 Hz。激光束经分光镜分为透射光和反射光。透射光经凸透镜聚焦后辐照到SiC 上；反射光直接辐照到能量探测器上，用以获取激光辐照过程中激光的脉冲能量。实验采用的SiC 板的厚度为5 mm，长和宽均为50 mm。

图1 激光烧蚀实验光路Fig.1 Schematic diagram of laser ablation experiment

由于纳秒脉冲激光烧蚀材料可能会诱导产生具有较高电子数密度的等离子体，导致激光束在到达材料之前被等离子体吸收部分能量，即等离子体屏蔽现象，因此，需要研究激光诱导等离子体对激光的屏蔽作用。激光诱导等离子体的测量实验光路如图2 所示。光源为Nd：YАG 脉冲激光器，激光波长为1 064 nm，脉宽为10 ns，单脉冲最大能量为5 J，触发模式为单次触发。激光束经凸透镜聚焦后辐照到SiC 上，光轴与材料表面法线的夹角约为10°，诱导产生的等离子体射流从靶面喷出。采用波长为532 nm 的连续半导体激光器诊断等离子体对光的吸收。材料中心预设一个小孔，小孔直径为500 μm。探测光垂直入射材料表面，穿过材料中心的小孔辐照至探测器上。探测器记录辐照过程中激光穿过等离子体后的光强变化。

图2 激光诱导等离子体实验光路Fig.2 Schematic diagram of laser induced plasma experiment

2 脉冲激光辐照SiC 的数值模拟

较高功率密度的脉冲激光辐照材料时，材料经历加热、熔化和汽化过程，表面产生高速蒸气，材料的温度服从热传导方程。由于材料对激光的吸收深度为纳米量级，远小于光斑直径，因此，材料温度的求解可简化成一维空间上的求解[11]

各组分的电离度可用Saha 方程描述[11]。激光强度小于1013W/cm2时，逆韧致吸收是蒸气中最主要的吸收机制，总的逆韧致吸收包括电子-中性粒子的逆韧致吸收和电子-离子的逆韧致吸收。电子-中性粒子的逆韧致吸收系数和电子-离子的逆韧致吸收系数的表达式分别为[11]

3 结果及讨论

图3 给出了功率密度为3.2×108、4.0×108和4.3×108W/cm2的脉冲激光辐照后SiC 的典型烧蚀形貌照片和烧蚀形貌的三维显微图。利用显微镜的三维测量功能获得了烧蚀坑形状的三维数据。激光辐照后，SiC 表面形成了一定深度的烧蚀坑，坑深随着激光功率密度的增加而增大。图3(b)为图3(a)中最右侧烧蚀坑的三维显微图，该坑的烧蚀深度最大，对应的激光功率密度为4.3×108W/cm2。

图3 SiC 的烧蚀形貌Fig.3 Аblation morphology of SiC materials

图4(a)是SiC 经激光烧蚀后表面的低放大率扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）图像，可以看出，激光辐照破环了材料表面，材料内部的纤维和基体裸露，纤维和基体呈不规则分布。图4(b)～图4(d)是激光辐照后材料表面的高放大率SEM 图像和X 射线能谱（energy dispersive spectroscopy，EDS）。可以看出，烧蚀区主要由黑色和灰色两部分组成。相应的EDS 图谱表明：灰色区域（图4(b)中А 区）主要为Si，并含有少量C 和O；黑色区域（图4(b)中B 区）主要为Si 和C，并含有少量O。烧蚀区出现O 元素表明激光烧蚀过程中材料发生了氧化。因此，纳秒脉冲激光的烧蚀具有一定的热效应，与超短脉冲激光的烧蚀主要为汽化效应的情况有所区别。

图4 纳秒激光烧蚀SiC 后材料表面的SEM 图像及EDS 分析结果Fig.4 SEM images and EDS of SiC materials after nanosecond laser ablation

图5 给出了烧蚀率随激光功率密度的变化曲线。可以看出，随着激光功率密度的增加，烧蚀率相应增大。烧蚀率与激光功率密度呈非线性关系；随着激光功率的增加，曲线斜率逐渐减小；当激光功率密度增加至约2×109W/cm2时，烧蚀率曲线的斜率大幅降低。其原因是高功率激光与固态物质相互作用时，固态物质中的电子首先吸收光子的能量，随后，在皮秒时间尺度内转换为物质内能，这种能量沉积速度远大于热辐射速度和膨胀做功速度，可以在材料表面形成具有极高的温度和密度的物质，即等离子体[13]，等离子体吸收大量的激光能量，导致最终到达材料内部的有效能量大幅降低。

图5 烧蚀率随激光功率密度的变化曲线Fig.5 Variation of ablation rate with laser power density

图6 显示了实验获得的激光输出功率密度与数值仿真得到的实际到靶功率密度。可以看出，15 ns后激光到达材料内部的功率密度较激光输出功率密度明显下降，这是因为随着时间的推移，激光烧蚀的材料表面形成等离子体。

图6 激光功率密度历史Fig.6 Histories of laser power density

图7 为激光诱导等离子体实验中探测器测得的光强历史数据。可以发现，在激光诱导等离子体发展过程中，探测器测得的激光强度下降，下降的最大相对幅值达75%。实验结果与数值模拟结果一致。

图7 探测器测得的激光的相对强度历史Fig.7 History of laser relative intensity measured by the detector

以上结果表明：想要获取良好的加工效果，不能一味地增加激光功率，需要结合相关作用机理选择最佳的加工工艺条件。

4 结 论

建立了纳秒脉冲激光烧蚀SiC 实验平台和激光诱导等离子体实验测量系统，基于固体能量方程、流体力学方程以及蒸气射流的电离与光吸收理论建立了纳秒脉冲激光与材料相互作用的数值模型，通过实验与理论相结合的方法研究了纳秒激光辐照SiC 的机理。实验研究表明：一定功率密度下纳秒脉冲激光烧蚀SiC 形成烧蚀坑，烧蚀坑内形貌起伏不平；在烧蚀过程中，材料表面存在一定的热影响区，导致部分材料被氧化。数值模拟研究表明：烧蚀率与激光功率密度呈非线性，当激光功率密度增加至约2×109W/cm2时，脉冲激光的烧蚀率大幅下降，其原因是激光诱导的等离子体吸收了大量激光能量，导致到达材料表面的能量大幅降低。因此，纳秒脉冲激光加工需要结合相关作用机制探索最佳加工工艺条件。此外，由于纳秒脉冲激光加工附带一定的热效应，导致加工面不光滑，因此，还需对表面的光滑程度进行表征和测量，以匹配工程应用需求。