)靶材后处理：先用1500#金相砂纸打磨加工后45 #钢表面去除表面熔渣，再使用 0. 5um粒径的金刚石抛光剂，在抛光机上抛光10-20min ;
[0044] 4)将抛光后的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 20min，清洗后取出吹干并对其进行编号后置于干燥皿中以备检测。
[0045] S3、用形貌分析仪测量步骤S2烧蚀获得的所述微凹腔的直径D和深度h，具体步骤 为：
[0046] 5)测量所述微凹腔形貌前，先浸有无水酒精的棉球擦拭净所述45#钢靶材块表 面；
[0047] 6)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。
[0048] S4、在横坐标位激光能量密度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 曲线与横坐标的交点即为所述脉冲激光烧蚀45#钢的烧蚀阈值F th;同时计算45 #钢表层材 料在所述脉冲激光烧蚀过程中的有效系数α，具体步骤如下：
[0049] 7)计算45#钢激光烧蚀阈值F th: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，绘制所述步骤S3中能量密度F及对应的所述凹腔直径D对应各点，并通 过对数关系拟合函数曲线，拟合曲线如图2所示，曲线所对应的方程如下：
[0050] D = 25. 1611n (F)-48. 467 (1)
[0051] 曲线与横坐标的交点为45#钢的激光烧蚀阈值F th= 6. 86J/cm 2;
[0052] 8)取单脉冲能量E。= 0. 2mJ，激光能量密度F。= 14. 15J/cm2,45#钢在能量密度Fq=14. 15J/cm2的烧蚀微凹腔深度h。= 1. 89 μπι。由于能量密度F。较小，可以认为材料表 面没有形成等离子体，此时，可认为等离子体未对入射激光能量有显著吸收损耗，入射到材 料表面的实际能量密度即为能量密度F。，所以45#钢在能量密度F。下烧蚀微凹腔深度h。与 入射到材料表面的实际能量密度F。的关系为：
[0054] 其中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，当脉宽长，热 效应明显时用热渗透系数表示，使用超短脉冲时用光吸收系数表示。
[0055] 将能量密度F。与微凹腔深度h。的数值代入公式（2)，求得45 #钢材料的有效系数 α = 0. 493 Um10
[0056] 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，以及特定激光能 量密度条件，推导出在特定激光能量密度下，激光烧蚀过程中等离子体吸收率b，具体步骤 为：
[0057] 当所述激光能量密度F大于3Fth，材料表面会形成明显的等离子体，因此，激光穿 透等离子体到达材料表面的能量密度为：
[0058] Finc= (l-b)F (3)
[0059] 其中，Fin。为脉冲激光入射到材料表面的能量密度，b是等离子体对激光的吸收率， 所述靶材的烧蚀深度h与入射到材料表面的实际能量密度Fin。的关系为：
[0061] 其中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。
[0062] 结合公式⑶和（4)，可以得到等离子体吸收率b和微凹腔深度h之间的关系为：
[0064] 其中，b为激光等离子吸收率；
[0065] Fth为激光烧蚀阈值；
[0066] 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；
[0067] F为激光能量密度；
[0068] h为该激光能量密度下所对应的微凹腔深度。
[0069] 将微凹腔深度h、激光烧蚀阈值Fth，有效系数α等代入公式 ，可 得到不同能量密度F下激光等离子体的吸收率b，激光等离子吸收率b随激光能量密度F的 变化曲线如图3所示。
[0070] 所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不 背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换 或变型均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 51、 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 ; 52、 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； 53、 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 ; 54、 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F th;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 ; 55、 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。2. 根据权利要求1所述的激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法，其特征在于， 所述步骤Sl具体包括以下步骤： 1) 、使用金相砂纸打磨所述祀材，使所述祀材的表面粗糙Ra度达到0. 05-0. 1 μL? ; 2) 、用浸有无水酒精的棉球擦干净所述靶材块表面待加工。3. 根据权利要求1所述的激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法，其特征在于， 所述步骤S2具体包括以下步骤： 3) 、将所述靶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。的取值为〇. 〇〇1-1_，所述脉冲激光的波长为193nm_10. 6 μπι， 脉宽为lfs-lms，单脉冲能量E为IuJ-IOOJ ; 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； 5) 、靶材后处理：去除所述靶材表面熔渣，进行抛光； 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。4. 根据权利要求1所述的激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法，其特征在于， 所述步骤S3具体包括以下步骤： 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； 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。5. 根据权利要求1所述的激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法，其特征在于， 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F th，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，3F tJ ;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。6. 根据权利要求1所述的激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法，其特征在于， 所述步骤S5中推导所述离子体吸收率b的公式为：其中，b为激光等离子吸收率； Fth为激光烧蚀阈值； α为有效系数； F为激光能量密度； h为该激光能量密度下所对应的微凹腔深度。7. 根据权利要求1所述的激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法，其特征在于， 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。
【专利摘要】本发明提供了一种激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法，将等离子体吸收率的测量转化为对激光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；随后，通过三维形貌仪测得微凹腔的直径和深度，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，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。
【IPC分类】G01N21/31
【公开号】CN105181616
【申请号】CN201510608854
【发明人】符永宏, 刘强宪, 叶云霞, 康正阳, 纪敬虎, 华希俊
【申请人】江苏大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年9月22日