飛秒激光精細加工含能材料*

王文亭 胡冰 王明偉

(南開大學現代光學研究所，光學信息技術科學教育部重點實驗室，天津 300071)

(2012年8月28日收到;2012年11月12日收到修改稿)

1 引言

飛秒激光脈寬可短至2.8 fs[1](1 fs=10-15s)，峰值功率高達拍瓦量級[2](1 PW=1015W)，聚焦功率密度高達1022—1025W/cm2量級.飛秒激光可以將其能量全部、快速、準確地集中在限定的作用區域，實現對玻璃[3]、陶瓷[4]、半導體[5]、塑料[6]、聚合物[7]、樹脂[8]、金屬[9]等材料的微納尺寸加工，具有其他激光加工無法比擬的優勢：1)耗能低，無熱熔區，“冷加工”;2)可加工的材料廣泛，從金屬到非金屬再到生物細胞組織，甚至是細胞內的線粒體[10];3)高精度、高質量、高空間分辨率，加工區域可小于焦斑尺寸，突破衍射極限[7];4)對環境沒有特殊要求，無污染.

飛秒激光微加工包括飛秒激光去除材料和飛秒激光改性材料.飛秒激光去除材料的物理機制是：飛秒激光聚焦后燒蝕靶材產生高溫高壓等離子體[11]，等離子體形成的時間小于將入射脈沖能量傳輸到周邊材料的時間，故不會引起熱擴散效應[12];利用微加工區域的多光子非線性吸收和電離可對任何材料實現無熱傳遞的微細加工;此外，飛秒激光作用區域很小，產生的等離子體沖擊壓力也會很小，其對被加工物質剩余部分造成的影響可以忽略[13].飛秒激光材料改性的機理是：物質局部吸收飛秒激光后折射率發生變化，利用雙光子聚合和光化學反應等機理實現精細加工.在飛秒激光去除材料方面，飛秒激光可以無熱沖擊、無剩余材料損傷地加工任何材料[14].

隨著軍事技術飛速發展，一方面導彈的貯備越來越趨于小型化，另一方面許多導彈(包括常規導彈和核導彈)按計劃退役，需要進行拆解和處理.這些導彈的推進劑、烈性炸藥、煙火劑和推進劑等含能材料(energetic material，EM)是造成環境污染和安全事故的巨大隱患.目前，采用高壓水射流技術拆除廢舊EM，是處理廢舊EM最高效、經濟和環保的方法，在世界各國得到廣泛應用.然而，由于EM自身的特殊性，水射流的高能束射流對EM的沖擊，可能會使EM發生爆炸;另外，高壓水射流技術成本高、操作空間大、噪聲污染嚴重、多人操作存在安全隱患，經常有人員傷亡事故[15-17].因此，研究新型EM切割和加工技術具有重要科學意義和實用價值.

飛秒激光脈沖的特性決定了其可以精細加工EM，實現無熱傳遞和低沖擊壓強的安全綠色“冷”加工.飛秒激光加工含能材料技術既可以滿足軍事領域中彈藥拆解，也可以滿足小型武器精密制造的迫切需要.

2 國外研究現狀

國外只有美國開展了飛秒激光與含能材料相互作用的研究，其他國家未見報道[18].美國勞倫茲·利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL)的 Roeske等和 Roos等于2002年率先對飛秒激光加工含能材料做了實驗研究，得出一些探索性的實驗結果，證實飛秒激光加工含能材料是可行的[19-21].LLNL的實驗系統由飛秒激光器、控制系統、加工系統和切割罐組成[19]，其中飛秒激光器為中心波長為810 nm的摻鈦藍寶石激光器，脈沖寬度為150 fs，脈沖重復率為3.5 kHz，單脈沖能量為1 mJ/pulse，平均輸出功率為3.5 W，光束直徑為12 mm;控制系統為電腦和步進電機;加工系統為四維線性移動平臺和聚焦系統;切割罐可用于9.6 g烈性炸藥的切割，罐內放置4個CCD相機和一個光譜儀.其中，切割罐可以防止炸藥爆燃和過濾有害氣體;CCD相機和光譜儀用于測量切割過程中產生的光學噴射物.LLNL對烈性炸藥、推進劑和雷管等含能材料進行了加工實驗研究.

2.1 飛秒激光加工烈性炸藥

LLNL選用的烈性炸藥包括LX-14，LX-17和Comp B.LX-14是由95%的環四甲撐四硝胺和5%的埃斯坦聚氨基甲酸乙酯彈性纖維組成，環四甲撐四硝胺的熔點為270°C，LX-17，Comp B的熔點為80°C.

首先利用能量密度為1—4 J/cm2激光脈沖在烈性炸藥上切割6—12 mm深的槽，實驗結果如圖1所示.三種材料的光學圖片顯示烈性炸藥的晶體結構和形狀沒有改變，并且沒有空洞.實驗結果表明切割后的烈性炸藥和標準炸藥的晶體尺寸、黏合劑以及材料密度幾乎一致.

其次，利用能量密度為2 J/cm2的激光脈沖，切割速率為4 mm/min，脈沖個數為1000.實驗結果如圖2所示，Comp B和LX-14有明顯的融化.利用能量密度為2 J/cm2的激光脈沖，切割速率為40 mm/min并且激光脈沖個數為10000.實驗結果如圖3所示，LX-14沒有融化.

圖1 飛秒激光切割烈性炸藥的切面圖

圖2 飛秒激光切割Comp B和LX-14的表面圖像

圖3 切割LX-14

2.2 飛秒激光加工推進劑

LLNL選用的推進劑主要包括復合煙火藥材料PS-1和雙基煙火藥材料HPT-45，PS-1由鋁燃料和銨高氯酸鹽氧化劑組成，而HPT-45是硝化纖維-硝化甘油基材料.利用激光能量密度為1—4 J/cm2，在推進劑PS-1上進行無爆燃打孔，刻槽和畫線;然后在PS-1上包裹三倍厚度的鋁膜，激光能夠無爆燃地透過鋁膜切割.對HPT-45進行同樣的實驗，可以得到同樣的實驗結果，如圖4所示[20].

圖4 飛秒激光切割PS-1

圖5 利用飛秒激光切割的半球型雷管 (a)雷管側面圖;(b)雷管俯視圖

2.3 飛秒激光加工雷管

LLNL選用的雷管的主要成分為季戊四醇四硝酸脂和PBX-9407.利用能量密度為1—4 J/cm2飛秒激光切割半球形雷管，得到0.75 mm到4.0 mm的5個不同高度的半球形雷管，其中半球型雷管的直徑為0.5英寸，季戊四醇四硝酸脂和PBX-9407的切割表面均沒有改變屬性，如圖5所示.

3 國內研究現狀

LLNL飛秒激光加工含能材料的研究引起了國內學者的關注，并有相關文獻報道.2004年，楊建軍[22]介紹了飛秒激光加工含能材料的“冷”加工特性.2005年，陳明華等[23]在介紹飛秒激光加工含能材料的基礎上，闡述了飛秒激光在加工過程中基本不會發生熱量的傳遞和化學反應.2006年，陳明華等[24]分析了飛秒激光切割發射藥的熱傳遞過程，建立了飛秒激光切割發射藥的傳熱模型，利用計算程序ANSYS計算了藥劑內部的溫度分布以及燒蝕放出的熱量，在切割過程中受激光作用的表面溫度可達2500°C以上，作用深度小于1μm.2006年，高飛[13]利用飛秒激光加工含能材料替代物，利用鈦寶石飛秒激光在含能材料替代物上刻槽和打孔，其中飛秒激光的脈寬為50 fs，中心波長為800 nm，脈沖重復率為1 kHz，最大單脈沖能量為2 mJ，聚焦透鏡焦距為40 cm，切割速度為0.1—2 mm/s，得到150—300μm的切割線度和85—130μm的打孔直徑.實驗結果是：低激光峰值功率和低加工速率時熱影響范圍較大，切割質量差;高激光峰值功率和高加工速率時熱影響范圍較小，切割質量較好.2007年，陳明華等[25]對飛秒激光加工Mg/PTFE藥劑燒蝕過程的可行性和安全性進行了分析，建立了相互作用的傳熱模型，確定了在切割過程中受激光作用表面的溫度可達3000°C，單個激光脈沖的作用深度小于5.0×10-7m，藥劑反應放出的熱量對剩余材料沒有影響.2009年，彭亞晶等[26]從理論上分析了皮秒和納秒單脈沖激光與納米金屬顆粒復合含能材料相互作用的熱動力學過程，推導了分散在介質中的納米金屬顆粒吸收脈沖激光能量的瞬時功率并且對熱點熱量傳播過程進行了數值模擬.

4 國內外研究現狀分析

LLNL首次利用飛秒激光加工含能材料，實現了飛秒激光切割含能材料、拆解廢舊炸藥、制造特征尺寸炸藥樣品，并且取得該技術領域的發明專利[18].LLNL的實驗結果證明了激光精細加工炸藥是可行的，但只給出了對幾種具體含能材料安全加工的激光參數，沒有給出相應的理論分析和系統化的加工參數.

國內少數科研單位開展了長脈沖激光與含能材料相互作用的理論分析和數值分析研究，以及激光點火實驗研究.在激光點火中主要研究點火感度和點火延遲期隨激光功率密度和材料組分的變化關系，同時觀測了不同激光功率密度和不同材料組分情況下的燒蝕和等離子體化現象[27-31].在飛秒激光與含能材料的相互作用及其應用研究方面，雖然有幾篇期刊或學位論文介紹了國外飛秒激光加工炸藥的情況，但基本上都是綜述性的簡單介紹、嘗試性的一點數據分析或含能材料替代品的初步微加工演示實驗.目前，國內還沒有飛秒激光加工含能材料以及小型武器的深入研究報道.因此，真正利用飛秒激光加工含能材料尤其是烈性炸藥的研究在國內還是一項空白.

5 討論

飛秒激光加工含能材料的核心問題是實現無爆燃“冷”加工.國外科學家在加工含能材料實驗中，主要考慮的起爆條件是“熱量”和“壓強”兩方面.含能材料熱傳導性差，容易聚集熱量，從而引起含能材料反應(甚至起爆)和融化.壓強可引起含能材料破裂(甚至起爆).熱量主要來源于加工過程中能量的轉換和摩擦，壓強主要來源于加工過程產生的等離子體沖擊波[32]和脈沖的光壓效應.因此，安全加工含能材料必須結合含能材料的特征參數研究如何產生最小的沖擊壓強[33]和沖擊溫度[34].

飛秒激光安全加工含能材料，迫切需要建立飛秒激光與含能材料相互作用的理論模型，改變以前局限于實驗摸索確定加工方案的局面，掌握飛秒激光安全加工含能材料的規律.為此，可以借助時間分辨飛秒激光泵浦探測技術[35]和飛秒激光數字全息術記錄和提取飛秒激光加工炸藥動態過程的瞬態信息[36]，修正飛秒激光與炸藥作用過程中的Fokker-Plank[37]模型.通過數值計算和實驗研究，給出與安全加工炸藥的臨界沖擊壓強和臨界沖擊溫度相對應的飛秒激光安全加工炸藥的臨界光學參數(包括飛秒激光的脈沖寬度、重復頻率，峰值功率以及聚焦光學系統的數值孔徑、焦距以及加工速度等)，建立安全加工所要求的飛秒激光能流密度與含能材料特征參數的一一對應關系.

LLNL的研究結果表明，飛秒激光加工含能材料既可以在空氣中(標準大氣壓STP)進行，也可以在真空罐中進行，或者是在可控壓強環境中進行.加工環境不同，飛秒激光加工含能材料的安全加工參數也相應不同.在標準大氣壓情況下加工，需要特別考慮超高功率密度的激光脈沖對樣品表面和樣品附近空氣的電離.因為空氣被強激光脈沖擊穿(電離)后產生等離子體，等離子體將一方面會使聚焦光斑變形(散焦和歪曲)、降低加工精度和效率，另一方面也會加熱樣品周圍的空氣，空氣的熱量會傳遞給樣品，導致樣品的融化甚至爆燃.在真空環境下加工，可以避免空氣中加工的弊端，從而提高安全性.在實際應用中，加工樣品不可能都放在真空罐中，一方面加工的費用大幅提高，另一方面也不方便，飛秒激光加工含能材料在空氣中進行更具有實際意義.

鑒于國內爆炸科學與技術領域對A(RHT-901)炸藥、B炸藥(JOB-9003)、C炸藥(JO-9159)[17]等烈性炸藥進行安全綠色加工異常重視，有必要盡快開展對此類炸藥進行飛秒激光加工的實驗與理論研究，在驗證飛秒激光加工單質炸藥安全的基礎上，分析混合炸藥的安全加工參數，實現包含烈性炸藥、引信、金屬等材料的小型武器的安全精密加工，獲得飛秒激光對爆炸品、火工品、危險品、甚至小型武器進行綠色安全精密加工的關鍵技術.此項研究將會發展飛秒激光與物質相互作用的理論，掌握具有自主知識產權的烈性炸藥及小型武器的飛秒激光精細冷加工技術，填補國內空白，為我國軍工科技事業做貢獻.

感謝南開大學現代光學研究所張楠講師、楊建軍教授以及朱曉農教授的支持和有益討論.

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