定金激光致固體靶材熔融噴濺過程的研究

定金激光致固體靶材熔融噴濺過程的研究

熔噴出硅靶和鋁靶的nd激光加工具有非接觸、高效率、易控制等特點(diǎn)。作者通過陰影法研究了毫秒激光致硅靶和鋁靶產(chǎn)生的熔融噴濺過程,得到了脈寬為1ms,能量為7.38J和16.00J的Nd1高能東南角激光顯像激光束的原理實(shí)驗(yàn)裝置可分為毫秒激光與靶材相互作用光路和探測光路兩部分,如圖1所示。毫秒激光與靶材相互作用光路為高能毫秒激光束經(jīng)過聚焦透鏡輻照在靶材上,聚焦透鏡的焦距為152mm,靶材表面的光束半徑為0.2mm。實(shí)驗(yàn)中鋁靶厚度為4mm,硅靶厚度為0.3mm,Nd2激光作用的海淡時(shí)間對鋁靶熔融噴累的影響毫秒激光致硅靶和鋁靶的熔融噴濺過程的序列陰影圖對比情況如圖2所示。圖2中左側(cè)為毫秒激光致硅靶熔融噴濺過程序列陰影圖,右側(cè)為毫秒激光致鋁靶熔融噴濺過程序列陰影圖。在實(shí)驗(yàn)中,脈沖為1ms、能量為7.38J的毫秒激光從左至右輻照在靶材上,其中硅靶的厚度為0.3mm,而鋁靶的厚度為4mm。在圖2左側(cè)的序列陰影圖中,當(dāng)激光作用233μs時(shí),激光作用區(qū)域中熔融硅的亮度高于背景光(背景光為探測激光束);當(dāng)激光作用466μs時(shí),硅靶前表面和后表面均出現(xiàn)了熔融噴濺物;當(dāng)激光作用699μs時(shí),硅靶前表面和后表面出現(xiàn)了更多的熔融噴濺物;當(dāng)激光作用932μs時(shí),可見硅靶前表面和后表面熔融噴濺物逐漸分散開,呈現(xiàn)液滴狀,硅靶產(chǎn)生的熔融噴濺方向與靶材前表面法線的最大夾角約為45°,熔融噴濺物分布于兩最大噴濺角之間,且硅靶前后表面熔融噴濺物的噴濺方向相反。在整個(gè)毫秒激光與硅靶相互作用過程中,熔融噴濺物的亮度總是高于背景光。在圖2右側(cè)的序列陰影圖中,當(dāng)激光作用233μs時(shí),激光作用區(qū)域中熔融鋁的亮度低于背景光,鋁靶前表面出現(xiàn)了氣化噴濺物,并且氣化噴濺物的亮度高于背景光;當(dāng)激光作用466μs時(shí),可見氣化噴濺物在空氣中傳播,氣化噴濺物的噴濺方向與激光入射方向相反;在激光作用1165μs時(shí),可見氣化噴濺物逐漸消散。在整個(gè)毫秒激光與鋁靶相互作用過程中,氣化噴濺物的亮度高于背景光,并且直接觀測到氣化噴濺物產(chǎn)生、傳播和逐漸消失的過程。在上述實(shí)驗(yàn)中,值得注意的是鋁靶產(chǎn)生的熔融噴濺現(xiàn)象并不十分明顯。為了得到激光作用鋁靶的熔融噴濺過程,加大毫秒激光能量至16.0J,得到的序列陰影圖如圖3所示。在圖中,脈沖為1ms、能量為16.0J的毫秒激光從左至右照射到厚度為4mm的鋁靶表面上。從序列陰影圖可以看出,當(dāng)激光作用66μs時(shí),鋁靶表面出現(xiàn)了氣化的物質(zhì)蒸氣,并且物質(zhì)蒸氣的亮度明顯高于背景光的亮度;當(dāng)激光作用299μs時(shí),物質(zhì)蒸氣在空氣中逐漸擴(kuò)大,并且鋁板表面出現(xiàn)了熔融噴濺物;當(dāng)激光作用532μs時(shí),鋁靶表面出現(xiàn)了更多的熔融噴濺物,但在靶材表面產(chǎn)生的物質(zhì)蒸氣卻減少了。鋁靶產(chǎn)生的熔融噴濺方向與靶材前表面法線的夾角大約為20°,熔融噴濺物在空間呈線狀分布在噴射角所在的直線上。鋁靶表面熔融噴濺方向與激光入射方向相反;當(dāng)激光作用765μs時(shí),鋁靶表面又產(chǎn)生了物質(zhì)蒸氣和熔融噴濺物;當(dāng)激光作用超過1ms后,物質(zhì)蒸氣逐漸消失。在熔融噴濺過程中,熔融噴濺物為線狀、不透明的液體,其亮度低于背景光。3分析與討論3.1熔融噴噴噴累密度不同起初在硅靶前表面和后表面均產(chǎn)生了熔融噴濺物,由于熔融噴濺物速度不同而逐漸分離開,最后可觀測到熔融噴濺物呈現(xiàn)液滴狀;而鋁靶產(chǎn)生的熔融噴濺物呈線狀不透明流體,并且由于噴濺速度的不同而逐漸分離開。在激光與靶材相互作用產(chǎn)生的熔融噴濺過程研究中,其可能產(chǎn)生熔融噴濺的機(jī)理有兩種:(1)根據(jù)流體動力學(xué),物質(zhì)蒸氣產(chǎn)生的氣化壓力使得熔融液體從材料表面向外噴濺3.2熔融噴噴的方向硅靶產(chǎn)生的熔融噴濺方向與靶材前表面法線所成夾角最大值為45°;而鋁靶產(chǎn)生的熔融噴濺方向與靶材前表面法線的夾角較小,約為20°。對于硅靶而言,當(dāng)熔融噴濺現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí),氣泡自身產(chǎn)生的氣化壓力要大于外力,氣泡必然向外力最小的方向運(yùn)動3.3熔融噴水質(zhì)分布硅靶產(chǎn)生熔融噴濺物分布在兩個(gè)最大噴濺角之間,鋁靶產(chǎn)生的熔融噴濺物在空間呈線狀分布在噴濺方向所在的直線周圍。對于硅靶而言,過熱沸騰過程中產(chǎn)生的氣泡是服從Boltzmann3.4熔噴噴覆物的色彩硅靶產(chǎn)生熔融噴濺物的亮度高于背景光,而鋁靶產(chǎn)生的熔融噴濺物亮度低于背景光。由于實(shí)驗(yàn)所用的高速CCD前放置了波長為532nm的帶通干涉濾波片,因而高速CCD記錄的主要是波長為532nm±15nm光波。在實(shí)驗(yàn)中,硅靶產(chǎn)生的融熔噴濺物的亮度高于背景光,因此高溫融熔液體硅存在熱輻射現(xiàn)象。這里假設(shè)將發(fā)生過熱沸騰現(xiàn)象,即融熔液體的溫度要超過其沸點(diǎn),而硅的沸點(diǎn)溫度為3514K,在計(jì)算中假定熔融噴濺物的溫度為3500K,根據(jù)黑體輻射輻射強(qiáng)度的定義和液態(tài)硅的發(fā)射率ε=0.27式中,λ是波長,E由以上計(jì)算結(jié)果可見,液態(tài)硅在517nm~547nm波段的輻射強(qiáng)度約為背景光源的78.7(M=E/I4熔融噴噴噴噴噴水質(zhì)特征將脈寬為1ms的激光致硅靶和鋁靶的熔融噴濺過程的陰影圖進(jìn)行對比,研究了硅靶和鋁靶熔融噴濺過程。在研究過程中,將過熱沸騰的機(jī)理引入到毫秒激光與硅靶相互作用過程中,進(jìn)而根據(jù)毫秒激光致硅靶和鋁靶融熔噴濺產(chǎn)生的機(jī)理分析硅靶和鋁靶產(chǎn)生熔融噴濺現(xiàn)象的不同。(1)2種靶材熔融噴濺物的形態(tài)不同。熔融液態(tài)硅內(nèi)部形成氣泡并膨脹直至離開硅靶表面,形成液滴狀融熔噴濺物;而鋁靶在外力的作用下液體離開靶材的方向移動,因此呈現(xiàn)線狀分布。(2)熔融噴濺夾角與和融熔噴濺物的分布不同。硅靶產(chǎn)生的氣泡服從Boltzmann分布,氣泡離開硅靶后形成融熔噴濺物分布在兩個(gè)最大噴濺角之間,最大噴濺角約為45°;而鋁靶融熔噴濺物的方向?yàn)樗芡饬Φ暮狭Ψ较?因此融熔噴濺物分布在噴濺方向所在的直線周圍,噴濺角度約為20°。(3)熔融噴濺物的亮度不同。硅的融熔噴濺物是溫度大于沸點(diǎn)的液體,高溫融熔