超短脈沖激光對(duì)巖石的燒蝕作用研究

鄭志遠(yuǎn),楊 楠,徐金澤,魏廣飛,張自力,吳秀文,周惟公

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)礦物材料開(kāi)放應(yīng)用國(guó)家專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室,北京100083)

1 引 言

激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代在量子物理學(xué)、光子光譜學(xué)、無(wú)線電電子技術(shù)基礎(chǔ)上興起的一門(mén)多學(xué)科結(jié)合的科學(xué)技術(shù),這種基于受激輻射而獲得的特殊光具有方向性強(qiáng)、亮度高、單色性和相干性好的特點(diǎn).這些特點(diǎn)使得激光技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,激光鉆井技術(shù)和激光剝離電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)便是激光技術(shù)應(yīng)用在地質(zhì)領(lǐng)域的很好的體現(xiàn)[1-6].對(duì)于這2種技術(shù)而言,其中的本質(zhì)問(wèn)題之一都是激光與巖石相互作用.

當(dāng)高強(qiáng)度的激光束作用于巖石表面時(shí),部分能量被巖石吸收,其余都被反射和散射損失掉.當(dāng)巖石吸收的能量超過(guò)本身的離化閾值時(shí),就會(huì)發(fā)生系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng),如破碎、分解、熔化、汽化等.同時(shí)由于巖石層中的巖石多數(shù)以飽油、飽水或飽氣的狀態(tài)埋藏在高溫高壓的深層地下環(huán)境中,因此,激光與巖石的相互作用還要受多種外在因素的影響.探討激光與巖石相互作用的機(jī)理,不僅要考慮到所使用的激光波長(zhǎng)、頻率、功率密度等對(duì)破巖效率的影響,同時(shí)也要考慮巖石本身的性質(zhì)和所處的環(huán)境因素的影響.本文選取了紅砂巖、花崗巖、大理巖典型巖石作為代表,對(duì)其干燥狀態(tài)和浸水后,納秒脈沖激光對(duì)它們的燒蝕情況進(jìn)行了初步研究.

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)物理實(shí)驗(yàn)中心完成的,圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.波長(zhǎng)為532 nm、寬度為10 ns的脈沖激光經(jīng)聚焦鏡(f=75 mm,φ=38 mm)聚焦到巖石靶的表面,入射激光能量為100 mJ.圓形巖石靶的直徑為30 mm,厚度為2 mm,表面拋光.入射激光的頻率可以調(diào)節(jié),分別為1,5,10,20 Hz.巖石靶的質(zhì)量損失由精度為0.01 mg的天平獲得.浸水巖石靶的燒蝕質(zhì)量損失是首先在干燥狀態(tài)下獲得質(zhì)量,然后在水中浸泡10 d,取出后將表面上的水擦干,放到干板夾固定后進(jìn)行激光燒蝕.燒蝕后再在干燥箱中加熱干燥,直至全部水分消除后再獲取其質(zhì)量.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 結(jié)果及分析

激光所具有的特性使激光與物質(zhì)的相互作用很特殊.通常把單脈沖激光與物質(zhì)的相互作用分為2個(gè)階段:首先是低能量密度階段,在這個(gè)階段,激光產(chǎn)生的壓力還不足以引起物質(zhì)的破壞,但是卻足以誘發(fā)某些甚至是不可逆的相變;其次是高能量密度階段,此時(shí)物質(zhì)表面材料迅速發(fā)生電離,組織結(jié)構(gòu)遭到破壞,當(dāng)激光功率密度達(dá)到一定值時(shí),物質(zhì)表面的材料會(huì)發(fā)生濺射,形成激光蒸發(fā);當(dāng)激光功率密度繼續(xù)提高,超過(guò)某一閾值,材料表面在激光的誘導(dǎo)下,就會(huì)形成高溫蒸發(fā)氣體或者等離子體[7].

圖2為紅砂巖在干燥和浸水條件下,燒蝕質(zhì)量損失與入射激光頻率的關(guān)系,其中質(zhì)量損失為激光每發(fā)的平均值.從圖中可以看出,在入射激光頻率為1 Hz時(shí),浸水后的紅砂巖的每發(fā)質(zhì)量損失為8.1μg,明顯大于干燥條件下的每發(fā)質(zhì)量損失2.06μg.隨著激光入射頻率的增加,浸水后的紅砂巖樣品的質(zhì)量損失迅速下降,最后趨于干燥條件下靶的質(zhì)量損失.這是由于紅砂巖浸泡后,充分吸收水分,加大了對(duì)激光能量的吸收,使得質(zhì)量損失大幅度提高.但由于等離子體對(duì)入射激光脈沖有一定的屏蔽作用,阻止了部分能量直接到達(dá)巖石表面,使部分激光與等離子體作用,而不是巖石.所以隨著入射頻率的增加,燒蝕質(zhì)量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).另一方面,由于脈沖激光的連續(xù)燒蝕,使得燒蝕區(qū)域的水分已經(jīng)汽化,這時(shí)浸水后的巖石靶已經(jīng)相當(dāng)于干燥條件下,所以在高的激光入射頻率下,2種狀態(tài)下的質(zhì)量損失呈現(xiàn)出大致相同的數(shù)值.

圖2 干燥與浸水后紅砂巖的燒蝕頻率與質(zhì)量損失的關(guān)系

圖3為干燥和浸水后2種條件下,不同入射激光頻率燒蝕紅砂巖后的形貌,入射激光能量為100 mJ,燒蝕發(fā)次為 300.圖3中并沒(méi)有給出1 Hz下的燒蝕形貌,主要是由于對(duì)于相同的燒蝕發(fā)次,1 Hz所需時(shí)間較長(zhǎng),為保障激光與相同條件下的巖石面相互作用,只能通過(guò)不斷改變燒蝕區(qū)域以實(shí)現(xiàn)相同的發(fā)次.所以,為了便于比較,只給出了5,10,20 Hz的燒蝕形貌.從圖中可以看出,相對(duì)于干燥條件下,浸水后的燒蝕孔邊緣相對(duì)平滑.就燒蝕孔徑而言,在入射頻率為10 Hz時(shí),孔徑較大.這與圖2中在該頻率下質(zhì)量損失較大的結(jié)果是一致的.

圖3 不同入射激光頻率下干燥和浸水后紅砂巖的燒蝕形貌

從圖2中可以看出,1 Hz條件2種狀態(tài)下的質(zhì)量損失相差明顯,為了進(jìn)一步研究其原因,對(duì)質(zhì)量損失與燒蝕發(fā)次的關(guān)系進(jìn)行了研究(圖4所示).從圖中可以看出,浸水后的質(zhì)量損失明顯大于干燥條件下的質(zhì)量損失.同時(shí),隨著燒蝕發(fā)次的增多,2種條件下的燒蝕結(jié)果趨于一致.這主要是由于兩方面的原因:一是由于隨著激光入射發(fā)次的增多,激光燒蝕區(qū)域的水分汽化,當(dāng)水分幾乎全部汽化后,激光與巖石的作用相當(dāng)于在干燥條件下進(jìn)行,對(duì)于這一點(diǎn),在前面也探討過(guò);另一方面,由于激光不斷燒蝕,與激光相互作用的巖石表面在不斷地變化,這時(shí)的巖石表面已經(jīng)離開(kāi)了激光的最佳聚焦位置,使得激光功率密度降低,這同樣會(huì)引起燒蝕質(zhì)量的下降.

圖4 入射激光為1 Hz時(shí)干燥與浸水后紅砂巖的質(zhì)量損失與激光燒蝕發(fā)次的關(guān)系

圖5給出紅砂巖在不同入射激光能量 f=1 Hz下的單發(fā)質(zhì)量損失.從圖中可看出,隨著入射激光能量的增加,質(zhì)量損失呈現(xiàn)上升趨勢(shì),同時(shí)浸水后的質(zhì)量損失明顯大于干燥環(huán)境下的質(zhì)量損失.由于干燥條件下的質(zhì)量損失較小,入射激光為55 mJ時(shí)的質(zhì)量損失在實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有被測(cè)量出.

圖5 紅砂巖在不同入射激光能量下的單發(fā)質(zhì)量損失

激光與巖石相互作用的過(guò)程中,激光輻照原始巖體,沉積的能量與材料的組分以及空隙率等有關(guān)[8-9].表1為在干燥條件下,激光燒蝕大理巖、花崗巖和紅砂巖的燒蝕質(zhì)量損失.激光與花崗巖、大理巖和紅砂巖相互作用中,由于紅砂巖空隙率最大,激光輻照燒蝕的效果相對(duì)較差,同時(shí)受材料組分的影響,最致密的花崗巖的燒蝕效果不如大理巖.

表1 干燥條件下,不同巖石種類(lèi)的單發(fā)燒蝕質(zhì)量損失

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)激光與不同狀態(tài)、不同巖石的燒蝕效果進(jìn)行了研究.結(jié)果發(fā)現(xiàn),激光的燒蝕質(zhì)量損失與巖石的狀態(tài)、巖石種類(lèi)、激光的入射頻率、入射發(fā)次等多種因素有關(guān).但就所處的環(huán)境而言,浸水后的燒蝕效果明顯好于干燥條件下的燒燭效果,這一點(diǎn)有很好的現(xiàn)實(shí)意義,例如激光鉆井中的巖石都是處于飽水的狀態(tài)中.本文只是簡(jiǎn)單探討了干燥和浸水后的情況,實(shí)際上,巖石處于高溫、高壓、飽水、飽油等復(fù)雜的環(huán)境中,研究激光與其作用是非常復(fù)雜的過(guò)程,還需要進(jìn)行大量、細(xì)致的工作.

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