金屬鋁靶在納秒脈沖激光與連續(xù)激光組合輻照下的溫度特性研究

巫曉莉

（中國(guó)空間技術(shù)研究院， 北京 100094）

0 引言

激光輻照靶材（如金屬鋁）表面時(shí)，部分激光能量被反射，其余激光能量透過(guò)靶材并被靶材所吸收。吸收的激光能量在靶材內(nèi)部沉積并加熱靶材， 使靶材的溫度逐漸升高，隨著吸收能量的增加導(dǎo)致靶材的熔融和氣化，這種伴隨有燒蝕物質(zhì)發(fā)生遷移的過(guò)程稱為激光燒蝕。

當(dāng)激光輻照靶材時(shí)，隨著靶材深度的增加，吸收的激光能量在靶內(nèi)部傳播過(guò)程中持續(xù)減弱， 能量強(qiáng)度按照指數(shù)規(guī)律衰減， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者一般采用Beer-Lambert 定律[1]描述激光熱源在靶材內(nèi)部的衰減過(guò)程。 對(duì)于金屬燒蝕來(lái)說(shuō)，由于靶材的特征吸收深度遠(yuǎn)小于激光光斑大小，所以垂直于靶材表面方向的溫度梯度比平行于靶表面方向的溫度梯度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)， 因此很多學(xué)者建立了沿激光入射方向的一維熱傳導(dǎo)模型來(lái)分析激光對(duì)金屬靶材的加熱過(guò)程[2，3]。 宏觀上，激光對(duì)靶材的加熱模型可以忽略微觀上光子、 電子與晶格聲子的相互作用， 最終導(dǎo)致溫度的升高。 這個(gè)過(guò)程可以根據(jù)能量守恒定律和經(jīng)典傅立葉定理推導(dǎo)[4]。

在金屬靶材燒蝕實(shí)驗(yàn)方面，文獻(xiàn)[5]研究了用不同脈沖長(zhǎng)度（微秒，納秒，皮秒和飛秒）的激光燒蝕同一種金屬物質(zhì)的燒蝕質(zhì)量。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著脈沖長(zhǎng)度的減小，燒蝕在工質(zhì)上所形成的的燒蝕空洞的形狀越來(lái)越整齊。這主要是因?yàn)闊醾鲗?dǎo)效應(yīng)隨著脈沖長(zhǎng)度的減小而減弱。因此，同樣激光能量下，短脈沖激光燒蝕質(zhì)量最大。 通常情況下，納秒級(jí)脈寬激光峰值功率較高，如YAG 激光器，可以燒蝕金屬等材料。 毫秒級(jí)脈寬激光功率較低，如半導(dǎo)體激光器，也正因?yàn)榧す馄鞴β实停圆捎幂^長(zhǎng)的脈寬來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的沉積， 而這種入射激光特性就決定了被燒蝕工質(zhì)靶材只能是導(dǎo)熱率較低的非金屬材料[6，7]。

本文針對(duì)金屬鋁靶材激光輻照加熱這一問(wèn)題， 開(kāi)展納秒脈沖激光與連續(xù)激光組合對(duì)靶材輻照下的溫度特性研究， 通過(guò)仿真計(jì)算分析溫度這一關(guān)鍵參數(shù)在組合激光燒蝕下的變化規(guī)律， 為靶材高效燒蝕下的激光參數(shù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 物理模型

在激光燒蝕過(guò)程中，靶物質(zhì)存在固、液兩種狀態(tài)。 因此，所采用的模型應(yīng)包含相變過(guò)程，以溫度的形式來(lái)表示熱擴(kuò)散方程[8-11]，如式（1）所示。

式中，ρ—靶材密度；h—焓；κ—熱導(dǎo)；cp—比熱容；α—靶材對(duì)激光的吸收系數(shù)；Ilaser（t）—激光在靶表面處的功率密度；R—靶材表面的反射率。

2 仿真研究

2.1 納秒激光燒蝕鋁靶溫度特性

以高斯形式表示能量隨時(shí)間變化情況， 具體如圖1所示， 設(shè)定激光峰值功率密度為108W/cm2， 全脈寬為60ns，半高寬為20ns。 計(jì)算2μs 時(shí)間內(nèi)的溫度變化。

通過(guò)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)， 靶表面溫度在2μs 時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)為先急劇增大，然后迅速降低，在0.5μs時(shí)刻以后， 靶面溫度變化平緩， 靶面最大溫度可以達(dá)到5500K以上，見(jiàn)圖2。

仿真結(jié)果表明，在納秒脈沖激光輻照下，靶表面溫度變化情況與激光光源能量變化相似，存在峰值。

圖1 納秒脈沖激光能量密度隨時(shí)間變化情況

圖2 納秒脈沖激光輻照下鋁靶表面溫度變化

2.2 連續(xù)激光燒蝕鋁靶溫度特性

研究連續(xù)激光對(duì)鋁靶的燒蝕特性時(shí)，為與納秒激光輻照有一定的對(duì)比性， 在設(shè)定激光連續(xù)作用時(shí)間為2μs 條件下，由于納秒高斯光束作用的總激光能量密度為2.5J/cm2，因此， 這里設(shè)定連續(xù)激光功率密度為1.25×106W/cm2，從而保證納秒脈沖激光與連續(xù)激光的能量密度保持一致。 連續(xù)激光能量密度隨時(shí)間變化如圖3 所示。

通過(guò)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)， 連續(xù)激光輻照下鋁靶的表面溫度隨時(shí)間逐漸增大， 變化趨勢(shì)緩慢， 表面最大溫度在1000K。 盡管與納秒脈沖激光作用的能量密度相同，但表面溫度差異較大，見(jiàn)圖4。

圖3 連續(xù)激光能量密度隨時(shí)間變化情況

圖4 連續(xù)激光輻照下鋁靶表面溫度變化

2.3 組合激光燒蝕鋁靶溫度特性

當(dāng)脈沖激光與連續(xù)激光共同作用時(shí)，在2μs 時(shí)間內(nèi)，連續(xù)激光持續(xù)作用， 但脈沖激光作用開(kāi)始時(shí)刻卻有多種選擇。 這里我們仿真脈沖激光從0 時(shí)刻、0.4μs 時(shí)刻、1.0μs 時(shí)刻、1.5μs 時(shí)刻開(kāi)始作用下的四種情況靶面溫度變化情況。 仿真使用的其它設(shè)定參數(shù)，如功率密度等，均與上述條件一致。

由圖5～8 可以看出，在組合激光作用下，盡管脈沖激光開(kāi)始作用時(shí)刻不同，但靶表面溫度變化趨勢(shì)基本一致。在脈沖激光未作用前，由于連續(xù)激光一直輻照，導(dǎo)致靶面溫度緩慢上升，隨著脈沖激光開(kāi)始作用，靶面溫度急劇增加，最高超過(guò)6000K，在脈沖激光停止作用后，靶面溫度開(kāi)始迅速回落。但由于連續(xù)激光還在繼續(xù)輻照，因此最終靶面溫度超過(guò)1500K。

為進(jìn)一步研究組合激光輻照下的靶內(nèi)部溫度特性，以1.0μs 時(shí)刻脈沖激光開(kāi)始作用為例， 研究不同靶深度處溫度隨時(shí)間變化情況，如圖9 所示。

由圖9 可以看出， 靶材表面、5μm、10μm、15μm 以及20μm 處的溫度變化趨勢(shì)逐漸變緩。 在20μm 深度方向上，靶內(nèi)部溫度基本不變，說(shuō)明對(duì)于金屬鋁靶而言，激光燒蝕僅發(fā)生在表面極薄的一層。

圖5 0 時(shí)刻脈沖激光開(kāi)始作用下組合激光輻照鋁靶表面溫度

圖6 0.4μs 時(shí)刻脈沖激光開(kāi)始作用下組合激光輻照鋁靶表面溫度

圖7 1.0μs 時(shí)刻脈沖激光開(kāi)始作用下組合激光輻照鋁靶表面溫度

圖8 1.5μs 時(shí)刻脈沖激光開(kāi)始作用下組合激光輻照鋁靶表面溫度

圖9 1.0μs 時(shí)刻脈沖激光開(kāi)始作用下組合激光輻照鋁靶不同深度溫度變化情況

3 結(jié)論

通過(guò)建立激光燒蝕鋁靶材料物理模型， 仿真研究了納秒脈沖激光與連續(xù)激光組合作用下的鋁靶溫度變化特性。 仿真研究表面，在脈沖激光作用下，靶面溫度急劇增大，溫度急劇增大時(shí)刻與脈沖激光開(kāi)始時(shí)刻一致，隨著脈沖激光作用結(jié)束， 溫度開(kāi)始急劇下降。 在組合激光燒蝕下，金屬鋁靶溫度顯著變化僅發(fā)生在表面微米級(jí)厚度內(nèi)。