一种激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法，特指一种通过测量 微凹腔尺寸来测量激光等离子体吸收率的方法。
【背景技术】
[0002] 自激光器问世以来，激光被广泛应用于各行各业。其中，激光与各类材料相互作用 特性和规律一直是众多学者的研究热点。当高功率激光束入射到靶材表面时，靶材表面吸 收激光能量，温度迅速上升，达到沸点，气化现象突然加剧，随着温度的继续上升，气化物质 继续吸收激光能量完成发生电离，继而形成高温高密度的等离子体。高温高密度等离子体 对入射激光有强烈的吸收作用。对于大多数激光加工而言，这种吸收效应会阻止部分激光 能量到达靶表面，对激光束与靶表面的能量耦合具有屏蔽作用，降低其加工效率，甚至导致 加工失败。准确可靠测量出等离子对激光的吸收率，对于光与物质相互作用规律的研究、激 光加工技术的发展和应用都至关重要。
[0003] 然而，等离子体与激光相互作用是一个非常复杂的过程，不同激光参数（如波长、 脉宽、功率等）、靶材、环境气体都会影响激光与靶材的相互作用，进一步影响等离子体对激 光的吸收率。同时等离子体对激光的吸收是一个瞬间过程。上述因素，导致获得准确的等 离子体吸收率，具有极大难度。为解决上述难题，我们发明了一种简易可行的激光烧蚀过程 中等离子体吸收率实验测量方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，而提供一种简单、可靠、准确的激光 等离子体吸收率的测量方法。
[0005] 本发明的技术方案是：一种激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法，包括以 下步骤：
[0006] S1、选取靶材并平整光洁所述靶材的表面，使所述靶材表面的表面粗糙度Ra为 0. 05-0. 1 μ m ;
[0007] S2、采用脉冲激光在所述靶材表面烧蚀加工一系列微凹腔，在加工过程中，激光能 量密度F规则增大或减小；
[0008] S3、用三维形貌分析仪测量所述S2中烧蚀获得的所述微凹腔直径D和深度h ;
[0009] S4、在横坐标为激光能量密度F和纵坐标为凹腔直径D的二维坐标系中，绘制所述 能量密度F及对应的所述微凹腔直径D各数据点，并通过对数关系拟合函数曲线；所述函数 曲线与所述横坐标的交点即为所述脉冲激光烧蚀所述靶材所对应的烧蚀阈值Fth;同时计 算所述靶材表层材料在所述脉冲激光烧蚀过程中的有效系数α ;
[0010] S5、通过所述微凹腔深度h、所述烧蚀阈值Fth和所述有效系数α，以及激光能量密 度，推导出激光烧蚀过程中等离子体吸收率b。
[0011] 上述方案中，所述步骤SI具体包括以下步骤：
[0012] I)、使用金相砂纸打磨所述祀材，使所述革E材的表面粗糙Ra度达到0. 05-0. 1 μL? ;
[0013] 2)、用浸有无水酒精的棉球擦干净所述靶材块表面待加工。
[0014] 上述方案中，所述步骤S2具体包括以下步骤：
[0015] 3)、将所述祀材固定装夹在工作台上，将所述脉冲激光聚焦至待加工的所述 靶材表面，聚焦后的激光光斑直径ω。的取值为0.001-lmm，所述脉冲激光的波长为 193nm-10. 6 μ m，脉宽为 lfs-lms，单脉冲能量 E 为 IuJ-IOOJ ;
[0016] 4)、通过改变所述脉冲激光的单脉冲能量E，改变激光能量密度F，所述单脉冲能 量E与所述激光能量密度F的关系为
采用所述激光能量密度F变化的激光脉冲 在所述靶材表面烧蚀加工一系列所述微凹腔，在加工过程中，所述激光能量密度F的取值 符合等比数列或等差数列分布；所述激光能量密度F取值个数与一系列所述微凹腔的个数 相等；所述一系列微凹腔的个数大于等于5个；
[0017] 5)、靶材后处理：去除所述靶材表面熔渣，进行抛光；
[0018] 6)、将抛光后的所述靶材块放入装有无水乙醇的量杯中，置于超声波清洗机内清 洗，清洗后取出吹干以备检测。
[0019] 上述方案中，所述步骤S3具体包括以下步骤：
[0020] 7)、所述微凹腔形貌测量前，先浸有无水酒精的棉球擦拭净所述靶材块表面；
[0021] 8)、利用WYKO - NTl 100表面三维形貌测量仪对所述微凹腔表面织构进行几何形 貌测量，包括所述微凹腔直径D和深度h。
[0022] 上述方案中，所述步骤S4中，获得所述有效系数α的方法为：通过求得的所述 激光烧蚀阈值Fth，确定不产生烧蚀等离子体的能量密度F。，能量密度F。的取值范围为 (Fth，3Fth];采用能量密度F。的脉冲激光加工所述微凹腔，测量所述微凹腔的深度为h。，根 据公式
求得所述靶材的表层材料有效系数α。
[0023] 上述方案中，所述步骤S5中推导所述离子体吸收率b的公式为：
[0025] 其中，b为激光等离子吸收率；
[0026] Fth为激光烧蚀阈值；
[0027] α为有效系数，所述有效系数为光学吸收系数或热渗透系数；
[0028] F为激光能量密度；
[0029] h为该激光能量密度下所对应的微凹腔深度。
[0030] 上述方案中，所述脉冲激光聚焦光斑处的能量密度分布呈二维高斯分布。
[0031] 本发明与现有技术相比在于本发明将吸收率的测量转化为烧蚀所得微凹腔形貌 尺寸的测量。首先，在平整光洁的靶材表面，采用特定脉冲激光，加工一系列微凹腔，在加工 过程中均匀变化激光能量密度F ;随后，通过三维形貌仪测得所述微凹腔直径D和深度h，通 过直径-激光能量密度曲线求得激光烧蚀阈值Fth;然后结合微凹腔深度h，由理论计算得到 表层材料有效系数α，进而得到激光烧蚀过程中等离子体吸收率b ;本方法易于操作，测得 结果稳定可靠，适用范围广泛，非常适用于工业应用对激光加工过程的监测控制，以及科学 研究中光致等离子体研究。
【附图说明】
[0032] 图1是本发明一实施例的测量方法的流程示意图。
[0033] 图2是本发明一实施例的微凹腔直径D与激光能量密度F拟合曲线图。
[0034] 图3是本发明一实施例的激光等离子吸收率b随激光能量密度F的变化曲线图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并 不限于此。
[0036] 在本实施例中采用的激光微加工设备包括脉冲Nd: YAG激光器、准直扩束镜、45° 全反镜、聚焦透镜和工作台。从脉冲Nd: YAG激光器发出的激光束，依次通过准直扩束镜、 45°全反镜、聚焦透镜，最后聚焦到工作台上的靶材表面。所述的形貌测量设备为WYKO- NTllOO表面三维形貌测量仪。
[0037] 以45#钢靶材为例，激光等离子体的测量方法如图1所示，包括以下步骤：
[0038] Sl、选取45#钢为靶材并平整光洁所述靶材的表面，使所述靶材表面的表面粗糙度 Ra为0· 05-0. 1 μ m，具体步骤为：
[0039] 选取45#钢并使用250#，600#，800 #，1200#和1500#金相砂纸打磨所述靶材平整光洁 其表面，使所述靶材表面的表面粗糙度Ra为0. 05-0. 1 μπι ;然后用浸有无水酒精的棉球擦 干净所述靶材块表面待加工。
[0040] S2、采用特定脉冲激光在45#钢表面烧蚀加工一系列微凹腔，在加工过程中，激光 能量密度F规则增大或减小，微凹腔的个数大于等于5个，具体步骤为：
[0041] 1)将45#钢固定装夹在工作台上，将特定脉冲激光聚焦至待加工45 #钢表面，聚焦 后的激光光斑直径ω。为60 μ m，选用的述脉冲激光波长为532nm，脉宽为200ns，单脉冲能 量为 0· ;
[0042] 2)通过改变脉冲激光的单脉冲能量E，改变激光能量密度F，两者间的关系为：
具体的，改变脉冲激光的单脉冲能量E的方法为，调节脉冲频率或改变平均输 出功率；选取一组单脉冲能量 E 分别取 0· 2mJ，0. 4mJ，0. 7mJ，I. lmj，I. 6mJ，2. 2mJ，2. 9mJ， 3. 7mJ，4.6mJ，根据公式
，可以计算出激光能量密度F分别为14. 15J/cm2, 28. 31J/ cm2, 49. 54J/cm2,77. 85J/cm2, 113. 23J/cm2, 155. 70J/cm2,205. 24J/cm2,261. 85J/cm2, 325. 55J/cm2;然后开启激光微加工设备，在45 #钢表面加工微米量级的凹腔形貌；
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