[发明专利]一种激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法，特指一种通过测量微凹腔尺寸来测量激光等离子体吸收率的方法。

背景技术

自激光器问世以来，激光被广泛应用于各行各业。其中，激光与各类材料相互作用特性和规律一直是众多学者的研究热点。当高功率激光束入射到靶材表面时，靶材表面吸收激光能量，温度迅速上升，达到沸点，气化现象突然加剧，随着温度的继续上升，气化物质继续吸收激光能量完成发生电离，继而形成高温高密度的等离子体。高温高密度等离子体对入射激光有强烈的吸收作用。对于大多数激光加工而言，这种吸收效应会阻止部分激光能量到达靶表面，对激光束与靶表面的能量耦合具有屏蔽作用，降低其加工效率，甚至导致加工失败。准确可靠测量出等离子对激光的吸收率，对于光与物质相互作用规律的研究、激光加工技术的发展和应用都至关重要。

然而，等离子体与激光相互作用是一个非常复杂的过程，不同激光参数(如波长、脉宽、功率等)、靶材、环境气体都会影响激光与靶材的相互作用，进一步影响等离子体对激光的吸收率。同时等离子体对激光的吸收是一个瞬间过程。上述因素，导致获得准确的等离子体吸收率，具有极大难度。为解决上述难题，我们发明了一种简易可行的激光烧蚀过程中等离子体吸收率实验测量方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，而提供一种简单、可靠、准确的激光等离子体吸收率的测量方法。

本发明的技术方案是：一种激光烧蚀过程中等离子体吸收率的测量方法，包括以下步骤：

S1、选取靶材并平整光洁所述靶材的表面，使所述靶材表面的表面粗糙度Ra为0.05-0.1μm；

S2、采用脉冲激光在所述靶材表面烧蚀加工一系列微凹腔，在加工过程中，激光能量密度F规则增大或减小；

S3、用三维形貌分析仪测量所述S2中烧蚀获得的所述微凹腔直径D和深度h；

S4、在横坐标为激光能量密度F和纵坐标为凹腔直径D的二维坐标系中，绘制所述能量密度F及对应的所述微凹腔直径D各数据点，并通过对数关系拟合函数曲线；所述函数曲线与所述横坐标的交点即为所述脉冲激光烧蚀所述靶材所对应的烧蚀阈值F_th；同时计算所述靶材表层材料在所述脉冲激光烧蚀过程中的有效系数α；

S5、通过所述微凹腔深度h、所述烧蚀阈值F_th和所述有效系数α，以及激光能量密度，推导出激光烧蚀过程中等离子体吸收率b。

上述方案中，所述步骤S1具体包括以下步骤：

1)、使用金相砂纸打磨所述靶材，使所述靶材的表面粗糙Ra度达到0.05-0.1μm；

2)、用浸有无水酒精的棉球擦干净所述靶材块表面待加工。

上述方案中，所述步骤S2具体包括以下步骤：

3)、将所述靶材固定装夹在工作台上，将所述脉冲激光聚焦至待加工的所述靶材表面，聚焦后的激光光斑直径ω₀的取值为0.001-1mm，所述脉冲激光的波长为193nm-10.6μm，脉宽为1fs-1ms，单脉冲能量E为1μJ-100J；

4)、通过改变所述脉冲激光的单脉冲能量E，改变激光能量密度F，所述单脉冲能量E与所述激光能量密度F的关系为：采用所述激光能量密度F变化的激光脉冲在所述靶材表面烧蚀加工一系列所述微凹腔，在加工过程中，所述激光能量密度F的取值符合等比数列或等差数列分布；所述激光能量密度F取值个数与一系列所述微凹腔的个数相等；所述一系列微凹腔的个数大于等于5个；

5)、靶材后处理：去除所述靶材表面熔渣，进行抛光；

6)、将抛光后的所述靶材块放入装有无水乙醇的量杯中，置于超声波清洗机内清洗，清洗后取出吹干以备检测。

上述方案中，所述步骤S3具体包括以下步骤：

7)、所述微凹腔形貌测量前，先浸有无水酒精的棉球擦拭净所述靶材块表面；

8)、利用WYKO—NT1100表面三维形貌测量仪对所述微凹腔表面织构进行几何形貌测量，包括所述微凹腔直径D和深度h。

上述方案中，所述步骤S4中，获得所述有效系数α的方法为：通过求得的所述激光烧蚀阈值F_th，确定不产生烧蚀等离子体的能量密度F₀，能量密度F₀的取值范围为(F_th,3F_th]；采用能量密度F₀的脉冲激光加工所述微凹腔，测量所述微凹腔的深度为h₀，根据公式求得所述靶材的表层材料有效系数α。