長脈沖激光與金屬相互作用的影響

龐博

摘 要 文章主要研究對象為長脈沖激光和金屬材料，首先分析了長脈沖激光可能對金屬產生的影響，然后通過理論與實際相結合的方式，又針對長脈沖激光對物質的作用展開了探究，希望文中討論的內容可以在某些方面給相關人員以啟發。

【關鍵詞】長脈沖激光 金屬 相互作用

長脈沖激光和金屬之間發生相互作用后，產生的結果之一便是金屬材料被激光破壞，能夠影響相互作用過程及結果的因素不僅局限于激光和金屬材料特性這兩個方面，也會受到外部環境的影響。以波長、脈寬、重復率為代表的與長脈沖激光特性密切相關的因素，都會對相互作用的過程產生影響，針對其所開展的研究工作，也具有一定的現實意義。

1 長脈沖激光對金屬的影響

1.1 熱物理性質

利用激光束對向同性均勻物體進行加熱，可以通過對激光能量進行吸收以及熱擴散的方式，使得物體邊界發生相應的熱流運動，各處溫度自然也會出現相應的變化。物體形狀、邊界條件、熱物理性質和激光加載條件，對物體溫度場的變化具有決定性作用。針對激光加熱所進行的計算，需要應用到物體熱導率、比熱容以及熱擴散率，另外，在變化過程中還需要對潛熱、氣化溫度和熔化溫度的數值加以考慮，這主要是因為上述內容均與物體溫度之間存在著密切的聯系。

1.2 物體溫度場的變化

想要對物體溫度場加以確定，關鍵在于明確激光加載的條件，一般來說，體熱源或面熱源所對應數值應為被吸收光強或是激光能量，當然，在特定條件下，還會有表面輻射損失等其他冷卻或熱源條件存在于邊界之上。對不同介質而言，想要實現界面熱接觸的條件較為復雜，在理想狀況下，界面兩側所對應溫度以及熱流量數值應當相同，但是熱接觸面兩側溫度在大多數情況下都會出現間斷的問題，此時對熱阻進行計算應用的公式則是：對溫度差通關熱量值進行除法處理，最終得出的商數便是該界面的熱阻。一旦物體某處與熔點數值持平，短時間內溫度不再上升，待所積累熱能能夠滿足該處熔融潛熱所需，才會進一步熔化，成為固態液體。

2 長脈沖激光對物質的作用

2.1 吸收并轉化激光能量

簡單來說，物體吸收激光的過程，就是物體內部振子、電荷和激光電磁場間相互作用的過程，但從本質上來說，這一過程則更為復雜，需要涉及到對吸收光譜進行測量的工作。在固體材料中，若激光能量是在趨膚深度被吸收的，那么通過對這部分能量的轉化，束縛電子或自由電子所對應平均動能的數值便會有所增加，其中大部分能量會通過電子和離子間的相互作用，再次轉化成為材料表面熱能，當然，除此之外還存在著以粒子發射效應為代表的其他轉化機制，需要引起注意。

2.2 金屬受溫度、表面狀況的影響

2.2.1 溫度

在諸多與金屬所具有光學特性存在內在聯系的因素中，具有代表性的應為電導率，以直流電導率數據為參考，能夠得出吸收率以及反射率在理論上的數值，由于直流電導率和溫度之間存在著明顯的聯系，因此，金屬所具有光學特性和溫度之間也存在著一定的聯系。處于熔化狀態下的金屬，所具有電阻率會呈現出明顯上升的趨勢，液態金屬所對應電阻率，在特定情況下可達處于熔點溫度的固態電阻率的兩倍或以上，也就是說，熔點處反射率下降、吸收系數上升。另外，隨著溫度的線性上升，液態金屬所具有電阻率也會逐漸上升，需要引起注意的是，以Bi為代表的金屬，由于存在反常熱膨脹的性質，因此，電阻率在熔融過程中會出現突降的情況，且受溫度影響較小。以1064nm光束為主體，針對光滑金屬表面所具有吸收率和溫度間的關系展開研究，結果如圖1所示。

2.2.2 表面狀況

若金屬樣品表面存在濺射、蒸鍍等光學薄膜，并在真空狀態下時，無論是吸收率還是反射率受溫度變化的影響與實驗值間均存在高度的統一。但是實驗樣品、工件往往無法不具備此種制備，材料表面的缺陷、雜質、粗糙度等因素都會在一定程度上對其所具有的激光反射率產生影響，進而對能量耦合產生影響。對生物體、復合材料等而言，其表面情況則更加復雜，由于該類材料無法實現與金屬物品相同的精密制造，因此，漫反射作用相對明顯，在對這部分內容進行研究時，常用的研究法為積分球方法。金屬表面較易受激光加熱影響出現氧化的情況，而氧化層所對應結構、厚度、消光系數以及折射系數，對金屬激光吸收率而言均具有決定性作用，若氧化層厚度處于Δ-λ/2nˊ這一范圍，那么發生在氧化層上、下表面之間的干涉效應，會使得吸收率出現大幅度的增加。

3 結論

通過對上文所敘述的內容進行分析能夠看出，長脈沖激光和金屬間的相互作用，可以被視為金屬物體對激光進行吸收，但是從本質上來說，這一過程極為復雜，需要掌握物體內部結構、光發射以及吸收的特征。文章主要以物質吸收、轉化以及反射激光時的基本機制作為切入點，對長脈沖激光和金屬之間存在的相互作用展開了分析，希望今后在開展激光加工、打標等工作時，相關人員能夠明確激光和物質間存在的關聯與相互作用，保證工作效率的提高。

參考文獻

[1]何雅靜，王偉，許本志，朱曉，齊麗君，朱長虹.復合脈沖深度激光打孔的實驗研究[J].激光技術，2017，41（03）：380-384.

[2]張一鳴.長脈沖激光致金屬熔融噴濺的理論研究[D].南京理工大學，2013.

工作單位

長春理工大學 吉林省長春市 130023