飞秒激光烧蚀钛的过程及其等离子体特性研究

【摘要】：飞秒激光具有脉冲时间短、瞬时功率高、加工精度好(阈值精确)、聚焦能力强等优点,几乎可以实现对任何材料的非热熔性精细加工。因此飞秒激光与物质相互作用具有巨大的应用潜力,吸引了国内外学者们争相研究,并取得了很好的结果。在各种工业加工以及生物治疗等领域应用日益广泛。钛作为一种应用非常广泛的过渡金属,具有耐高温、密度小、强度高、抗腐蚀性好、合金性能优、生物亲和性好等优点,并且在地壳中分布广泛,是一种在航空航天、船舶制造、生物医疗以及环境科学等领域具有广阔的应用价值的材料。当功率密度足够大的飞秒激光作用于钛表面时,会在钛表面造成损伤,改变表面形貌。靶材表面会产生高温高压等离子体。研究飞秒激光烧蚀钛表面的过程和烧蚀形貌,可以指导飞秒激光对钛及其合金材料进行微加工,预测和控制加工形貌,提高加工工艺。研究烧蚀过程中形成的等离子体特性可以进一步理解钛表面在飞秒激光作用后的激发、电离及膨胀的动力学过程;同时对飞秒激光诱导击穿光谱技术的应用具有很好的指导和借鉴意义。本文进行了飞秒激光烧蚀钛表面的实验,并建立了模拟烧蚀过程和形貌的理论模型,对飞秒激光与钛靶的相互作用过程和机制进行了深入分析。同时,研究了钛表面形貌以及表面周期性结构的特征和演化规律,并探讨了表面周期性结构的形成机理,对全面优化飞秒激光对钛靶的加工工艺有很好的借鉴意义。另外,利用飞秒激光诱导击穿光谱技术,对飞秒激光烧蚀钛表面产生的等离子体进行了光谱诊断。研究了钛等离子体的光谱性质和动力学过程,以及等离子体电子温度和密度的演化,讨论了等离子体特性与环境空气压强的关系。总结起来,本文主要对飞秒激光烧蚀钛的过程和等离子体特性进行了全面深入的研究。本文主要内容包括:(1)首先研究了激光作用下空气的击穿过程。分别进行了纳秒激光和飞秒激光击穿空气的实验,测量了击穿阈值。根据纳秒激光与气体的非线性相互作用理论,建立了两步击穿模型:把纳秒激光击穿空气分为多光子电离主导阶段和级联电离主导阶段。计算得到了纳秒激光击穿空气阈值并给出了两个阶段的时间节点,得到了其随空气气压的变化规律。并将理论计算与实验进行了的对比与讨论。通过飞秒脉冲激光与空气作用时发生的光电离、电子加热和碰撞电离过程,研究了飞秒脉冲击穿空气的过程,计算了击穿阈值。并与纳秒脉冲的情况进行了对比与讨论。(2)在实验上研究了飞秒激光烧蚀钛表面的形貌。通过对实验结果的分析可以看出:脉冲飞秒激光作用过后,钛靶表面除了出现中心烧蚀坑外,在外围也出现了热影响区。研究了烧蚀坑的半径和深度随着激光能量密度和脉冲个数的演化。(3)为了模拟飞秒激光烧蚀钛表面的形貌,建立了柱坐标系下三维双温模型,并利用电子态密度理论对钛的热力学物性参数进行了修正。通过模拟详细描述了飞秒激光与钛表面的相互作用过程,分别给出了烧蚀坑的半径、深度、二维和三维烧蚀形貌,并将模拟结果与实验数据进行了详尽的对比分析。发现经过参数修正的三维双温模型可以很好的描述烧蚀半径和深度随激光能量密度的变化,也能清晰的描绘钛表面的二维和三维烧蚀形貌。(4)在实验和理论上系统地研究了飞秒激光诱导钛表面周期性微纳结构。对实验中观测到的三种结构的特征及其随着激光能量密度和脉冲次数的演化规律进行了详尽的研究。发现三种结构随着激光能量增大和脉冲次数积累相互竞争,此消彼长;每一种结构的表面特征也发生着变化。通过总结大量的实验结果,给出三种条纹分别对应的激光参数加工窗口。在理论上,对三种结构的形成机制进行了详细的探讨。利用表面等离子体波理论成功地解释了纳米波纹结构的形成,波纹的表面周期、分布及其随激光参数的演化过程;用入射激光散射波和表面波的干涉理论解释了微米条纹的形成和空间周期;通过建立光学干涉模型定性地解释了圆环结构的形成和演化。(5)在实验上,通过采集钛等离子体的时间分辨谱,探究了等离子体内部各种成分的光谱随着延迟时间的演化规律。发现钛的离子谱线的时间演化比原子谱线快;通过等离子体时间-飞行谱,确定了等离子体羽沿各个方向的膨胀速度,发现等离子体光谱强度和膨胀速度随与烧蚀中心距离的增大迅速减小。同时,讨论了压强对飞秒激光等离子体光谱特性和膨胀行为的影响。发现随着压强升高到大气压:等离子体内的离子谱线增强而原子谱线减弱,但原子和离子谱线随时间的衰减速度均减缓,等离子体羽的膨胀速度也迅速减小。(6)通过等离子体光谱诊断方法,测量了飞秒激光诱导钛等离子体的电子温度和密度及其演化。在激光功率密度为2.17×1016w/cm2的情况下,两个参数均在104k和1017cm-3的数量级。电子温度和密度随延迟时间都快速下降,但先快后慢。讨论了空气气压对等离子体参数的影响:电子温度和电子密度都随着空气气压的增大而升高,并在高气压下衰减速度都小于低气压的衰减速度。