聚焦激光剥蚀铁靶实验设计探析

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自从1960年美国人梅曼制作了世界上第一台激光器后，激光因其能量集中、方向性好、相干性好、单色性好，在激光加工中得到广泛研究与应用．目前国内很多高校开设光电子科学与技术专业及光信息处理专业，激光原理是这2个专业的重要必修课．虽然学生做了很多光学方面的物理实验，但没有经过激光实验训练，学生仍然很难将激光原理与物理学、生物学、医学等其他相关学科交叉学习，对激光器工作原理、结构、调节及激光的主要性能参量测试没有感性认识．为了弥补这一缺憾，在聚焦脉冲激光剥蚀靶材前首先采用相关设备测试自由运转激光器输出脉冲激光的主要性能参量，如能量、脉冲宽度、工作频率等，脉冲激光聚焦靶材表面剥蚀后的形貌采用体视显微镜观测，以评价不同激光参量对剥蚀后形成的凹坑形貌的影响．

1激光参量测试

激光剥蚀靶材前测量自由运转的脉冲钬激光参量。

1）测激光能量．为防止激光对光功率能量计探测器敏感端面造成损伤，激光器出光端面距光功率能量计（以色列Ophir公司，表头NOVAII，探测器PE50BF－C）敏感端面50mm．激光器输出的脉冲激光辐照在光功率能量计探测器上，探测结果在附带表头上动态实时显示．数据采集软件可动态显示激光能量／功率随时间变化关系曲线，也可以TXT文件保存采集的能量／功率数据．为了锻炼学生运用数据软件处理实验数据的能力，用Origin8．0软件对保存的数据文件进行必要的处理．

2）测激光脉宽．距离光功率能量计探头50mm处，以一定角度放置光电探测器（PV－3，波兰Vigo公司，响应时间τ＜15ns），探测到部分反射光信号，转换后的电压信号输入示波器（泰克，DPO4104），示波器记录激光脉冲波形．结果表明：泵浦电压为960V，泵浦脉宽为0．9ms，频率5Hz时钬激光脉冲的半高全宽为570μs．表明激光器初始输出脉冲能量较大，第5s时探测到的瞬时能量为2．17J，5s内测得平均能量为2．133J，最大能量值为2．31J，最小能量值为2．05J，能量标准偏差为61．32mJ，探测到的激光频率为5Hz．设置脉冲钬激光输出频率为5Hz，调节激光器电源的泵浦电压和泵浦脉宽，使输出的脉冲激光能量分别为2．067J，2．147J，2．133J时，对应的激光脉宽分别为1010μs，952μs，598μs．由于脉冲激光能量波动在5％范围内，可视为激光能量恒定输出且平均值为2．1J．

2聚焦钬激光剥蚀靶材实验设计

2．1实验流程

由于2．1μm波长钬激光在普通的玻璃材料制作凸透镜中传输时损耗较大，因此不能用普通K9玻璃材料制作凸透镜聚焦钬激光脉冲．另外，作为增益介质的固体棒直径为10mm，激光器谐振腔端面输出的光斑直径约为8mm．选择直径15mm、焦距15mm的氟化钙材料制作的双凸透镜聚焦脉冲激光．搭建如图4的实验平台．频率5Hz的脉冲钬激光经氟化钙透镜聚焦在靶材表面，持续10个脉冲，每组参量的实验重复5次．靶材为铸铁片（15mm×15mm×2mm），铁片固定在三维调整支架上，可三维移动控制．为了实现打孔的精确定位，可以利用调整架对靶材位置进行微调，使激光聚焦在靶材表面，操作步骤如下：1）调制好光路，在三维调整架上装靶材并试探性打孔．）调节激光器电源参量，降低输出的激光能量并调节支架，使得聚焦激光刚好能在靶材上打孔，而沿光轴方向前后移动靶材后均不能打孔，则可定位聚焦点．

2．2实验结果与分析

经钬激光脉冲剥蚀后的铁片放在体视显微镜（镜头LeicaM205A，摄像系统LeicaDFC550）下观察．图中（a1），（b1）和（c1）为凹坑表面二维形貌图，（a2），（b2）和（c2）分别是对应的凹坑底部形貌放大图。，脉冲钬激光剥蚀铁片形成的凹坑呈表面大、底部小的锥形，凹坑表面总体呈椭圆形，但短脉宽［如（c）598μs］时凹坑表面形状更规则．因为聚焦光斑的形貌相同，对于离聚焦中心一定距离的点来说，短脉宽时该点处激光功率密度高，铁的熔融过程显著，铁片被剥蚀．激光脉宽长时，激光功率密度低于剥蚀阈值时没有剥蚀现象发生．（a）和（b）2组实验中的凹坑内部颜色呈以蓝和黄褐色为主的彩色，凹坑（c）中还出现红色．一般而言，铁的氧化物为黑色（如四氧化三铁、氧化亚铁）和红棕色（三氧化二铁），与凹坑（a）～（c）的颜色有出入，显然这3组实验条件下的剥蚀产物成分更为复杂．对于图（a1）～（c1），凹坑内壁可见环状分层的纹路，这是因为铁片受激光辐照后升温，进而熔化，由于该过程反应剧烈，部分熔融物飞溅出去，导致铁片的剥蚀发生，每次脉冲作用意味着1次剥蚀过程，在下次剥蚀发生前，熔融物冷却时会留下痕迹，即图中蓝色的环状纹路．图中显示凹坑最外层纹路的形状不规则，随着向内部的延伸，纹路形状越来越规则，从椭圆渐变为近似圆形．凹坑（a1）～（c1）可见的纹路个数分别为6个、7个、9个，并不是激光脉冲个数10个，这是因为：1）部分凹坑底部视野模糊，无法观测清楚；2）铁片熔融物分子内能高，熔融物在剥蚀过程中由聚焦点向四周移动，其温度在远离激光加热区域过程中不断降低，最后冷却并堆积在凹坑边缘，冷却物会覆盖部分纹路；3）激光脉宽较短时，激光功率密度高，激光与铁片反应过程更加剧烈，熔融物能够较迅速地喷射出去，使剥蚀纹路充分暴露，能观察到的纹路相对多．凹坑（a1）～（c1）底部分布有颗粒状固体，直径约10μm，这是熔融的铁冷却后形成，凹坑（c1）的内壁也粘附有颗粒，但直径较大，约30μm．此外，凹坑（a1）和（b1）内壁有裂痕，裂痕从凹坑表面延伸至凹坑底部，而且（a1）中的裂痕数目更多，说明长脉宽脉冲激光对凹坑内部有附带机械性损伤，实际运用时应选择短脉宽的激光，实现深径比（凹坑深度与表面直径比值）大、无明显热损伤或机械性损伤、凹坑表面光滑且无剥蚀物沉积的高品质固体靶材微孔加工．

3结束语

为了提高光电子科学与技术及光信息处理专业学生的激光技术水平，将激光原理与实验相结合，并在实验中进行了聚焦激光剥蚀铁靶的实验，采用相关的实验设备测试了激光的能量、脉冲宽度及工作频率参量．该实验用在实际的实验教学中时，学生首次见到了书本上描述的激光器，体验了测试激光参量的流程，在教学上有助于学生加深对激光理论的理解，促进理论与实验的完美结合．本实验进程中学生将分析激光聚焦过程中的经验与教训，在总结失败经验的基础上顺利完成激光的聚焦，间接提高学生分析问题与解决问题的能力，促进了学生不同程度创新意识的培养。

作者：吕涛 陈昉 单位：中国地质大学（武汉）数理学院