飞秒激光与材料相互作用的能量建模及加工形貌研究

摘要
相比于传统的连续激光，飞秒激光具有极短的脉冲宽度、极高的峰值功率和极广的频谱覆盖范围，在材料精细加工方面具有独特的优势。

飞秒激光加工能够以极快的速度将全部能量注入目标区域，在很大程度上可以避免能量的线性吸收、转移和扩散过程的影响，从根本上改变了激光与物质相互作用的过程，具有极高精度和空间分辨率。

本研究通过对飞秒激光加工区域的扫描电镜图像进行分析，得到不同参数的飞秒激光微加工不锈钢基板后加工区域的形貌及尺寸，探索了飞秒激光参数和能量输入对加工区域形貌和尺寸的影响规律。

本研究分析了不同参数的飞秒激光作用于301不锈钢基板上时，基板上被加工区域内任意一点吸收能量的方式及大小。

推导出飞秒激光加工区域内任意一点所吸收能量的模型。

并且通过求出垂直于飞秒激光扫描方向上基板吸收能量的分布曲线，给出了利用该模型预测飞秒激光微加工时基板表面烧蚀坑道的宽度和计算基板的烧蚀阈值的方法。

利用该模型计算的烧蚀阈值近似等于传统方法计算的烧蚀阈值，误差可以忽略。

而且该模型预测的烧蚀坑道的宽度与实验结果相吻合，误差同样可以忽略不计。

本研究所给出的计算材料吸收的飞秒激光能量的计算方法和求材料烧蚀坑道宽度及烧蚀阈值的方法适用于任何材料。

当飞秒激光加工区域只发生熔化现象时，可以将其作为飞秒激光的自熔焊进行研究。

当飞秒激光的扫描速率较低时，飞秒激光微焊接能够得到表面光滑平整的焊缝。

与飞秒激光的烧蚀过程不同，使用飞秒激光进行微焊接时，为避免焊缝表面因为严重氧化产生较大的裂纹，必须施加保护气或在真空环境下进行。

可以通过增大飞秒激光平均功率和减小扫描速率的方式提高其能量输入，从而得到较大尺寸的焊缝，但是其能量要低于材料的烧蚀阈值。

飞秒激光的平均功率对焊缝尺寸的影响效果大于扫描速率对焊缝的影响效果。

飞秒激光焊接不锈钢所得的焊缝横截面的面积与其扫描速率（在一定的范围内）之间存在较好的线性关系，回归直线的斜率为负值，并且飞秒激光的平均功率越大回归直线的斜率的绝对值越大。

可以利用这个线性关系根据飞秒激光的扫描速率来预测焊缝的侧面及尺寸。

在焊缝与母材的边界存在一个尺寸很小的成分过渡区域。

关键词：飞秒激光，不锈钢，微加工，能量吸收模型，尺寸
ABSTRACT
Compared with traditional continuous laser, femtosecond laser has its unique advantages in micromachining because of its ultrashort pulse duration, ultrahigh peak power and extremely wide frequency range. Femtosecond laser can input its total energy into the object region, which can avoid the effects of the linear absorption, energy transfer and diffusion during femtosecond laser process. The ultrafast energy input changes the interaction process of femtosecond laser and material compared with traditional laser. Thus, femtosecond laser micromachining has quite high precision and resolution. In this study, the scanning electron microscope images of the processed region by femtosecond laser were obtained. By analyzing the morphology and size of the processed region, the effects of femtosecond laser parameters and energy input on the morphology and size of processed region were discussed.
In this study, the way and amount of femtosecond laser energy which is absorbed by the substrate is studied. The absorbed energy model of any point in the processed region is deduced. In addition, by calculating the absorbed energy distribution which is perpendicular to the scanning direction of femtosecond laser, the method of predicting the width of the ablated channel and the method of calculating the ablated threshold are delivered. The calculated threshold by this model approximate the threshold which is calculated by traditional method and the error could be ignored. On the other hand, the predicted width of the ablated channel approximate the experimental result. And the error could be ignored too. The method to calculate the absorbed energy of femtosecond laser, the width of ablated channel and the ablated threshold is suitable for any material.
When the processed region is only melted, the process of femtosecond laser can be regard as autogenous welding. The welds are smooth at small scanning speeds of femtosecond laser.
In order to avoid the long crack in the weld process, the weld processed by femtosecond laser must be added shielding gas or carried out in vacuum, which is different from the ablated processed.
The input energy of femtosecond laser can be increased by increasing the mean power and decreasing the scanning speed of femtosecond laser. The size of the welds will be increased accordingly. However, the input energy must be less than the ablation
threshold of materials. The effect of femtosecond laser mean power on the size of the weld is larger than that of femtosecond laser scanning speed.
The cross sectional area of stainless steel weld has a good linear relationship with the scanning speed of femtosecond laser with a certain range of scanning speed, when the mean power is constant. The slope of the regression line is negative and the larger of femtosecond laser mean power the larger of the absolute value of the slope. The linear relationship can be used to predict the size of the weld cross section. There is a small component transition zone at the boundary between the weld and the base material.
KEY WORDS:femtosecond laser, stainless steel, micromachining, energy absorption model, size
目录
第1章绪论 (1)
1.1 飞秒激光概况 (1)
1.2飞秒激光的特征 (3)
1.2.1 极窄脉冲宽度 (3)
1.2.2 极高的峰值功率 (4)
1.2.3 加工三维的透明材料 (4)
1.2.4 加工材料范围广 (4)
1.2.5 能够获得周期性表面微结构 (5)
1.3 飞秒激光与物质相互作用基础理论 (5)
1.3.1 飞秒激光与金属材料作用基础理论 (5)
1.3.2 飞秒激光与半导体相互作用基础理论 (10)
1.3.3 飞秒激光与电介质互作用基础理论 (11)
1.4 飞秒激光微加工应用及研究现状 (11)
1.4.1 表面改性 (12)
1.4.2 本体改性 (16)
1.4.3 熔覆技术 (17)
1.4.4飞秒激光微焊接 (18)
1.4.5 飞秒激光增材制造 (19)
1.5 本研究内容及技术路线 (20)
第2章试验材料与方法 (23)
2.1 试验材料 (23)
2.2试样准备 (23)
2.3 试验设备 (23)
2.4 表征手段 (26)
第3章飞秒激光烧蚀建模及计算不锈钢烧蚀阈值 (27)
3.1 试验方法及基本理论 (27)
3.1.1 试验方法 (27)
3.1.2 试验基本理论及公式 (28)
3.2 建立并验证烧蚀模型 (29)
3.2.1 加工区域形貌 (29)
3.2.2 建立烧蚀模型 (30)
3.2.3 预测烧蚀坑道宽度 (34)
3.2.4 计算烧蚀阈值 (36)
3.3 本章小结 (36)
第4章飞秒激光参数对焊缝形貌的影响 (39)
4.1 试验方法与步骤 (39)
4.1.1 试验方法 (39)
4.1.2 计算焊缝横截面面积的方法 (40)
4.2 飞秒激光能量输入对焊缝尺寸及形貌的影响 (41)
4.2.1 飞秒激光能量输入对焊缝形貌的影响 (41)
4.2.2 飞秒激光能量输入对焊缝尺寸的影响 (43)
4.3 过渡区 (49)
4.4 本章小结 (50)
第5章结论 (51)
参考文献 (53)
发表论文和参加科研情况说明 (59)
发表的论文 (59)
致谢 (61)
第1章绪论
第1章绪论
飞秒激光作为一种脉冲宽度极短的激光脉冲,其脉冲宽度在飞秒(1fs=10-15s)量级。

由于飞秒激光具有极短的脉冲持续时间,相比于传统的连续激光，飞秒激光加工材料时具有极高的峰值功率，能使材料加工区域瞬间达到特别高的温度。

飞秒激光与材料相互作用时能量的传递方式也区别于连续激光，飞秒激光加工的过程中，能量经电子传递到声子，最后传递到晶格。

这种特殊的传递方式是因为与电子弛豫时间及电子-声子弛豫时间相比，飞秒激光的脉冲持续时间更短。

因此采用飞秒激光对材料进行微加工时能够精确控制加工过程中产生的热效应，极大程度上减小对未加工区域的热影响，使得材料的冷加工成为可能[1,2]。

除此之外，飞秒激光非常短的脉宽与非常高的峰值功率导致其在精细加工方面具有诸多优势，如其加工材料的范围特别广泛，加工过程中能量消耗低，适用于高精度的材料加工。

因此，在材料的材料的微加工领域，飞秒激光具有特别广的应用前景[3]。

1.1 飞秒激光概况
激光产生的理论基础是爱因斯坦提出的受激辐射的理论，据此理论可以确定激光是一种原子受到辐射产生的一种放大、相干的电磁波[2]。

由于其方向性好、亮度高、相干性好等优异性能，能够获得超短的脉冲并产生极高能量密度和峰值功率，所以激光能够适用于包括金属、半导体、玻璃、塑料等在内的几乎所有材料的加工。

随着各种锁模技术和放大方式的提出，使得激光脉冲时间达到飞秒量级。

在20世纪末出现的克尔透镜锁模飞秒钛宝石激光器很大程度上减小了飞秒激光的脉宽并使得其峰值功率得到了极大的提高，这使得飞秒激光技术得到了飞跃的发展。

作为二十世纪人类最伟大的一项发明，激光器已经发展了50多年了。

自1960年世界上第一台红宝石激光器由美国科学家梅曼研制成功以来，激光器的性能也得到不断的改善，用以满足人们对激光加工不断提高的需求。

激光波长已经能够实现全波段调谐，激光器所能够输出的功率早已达到几千瓦，激光脉冲持续时间也从纳秒、皮秒发展到飞秒[4]。

飞秒激光最早是在1985年由R.L.Fork 等[5]在染料激光器中通过碰撞锁模的方法产生的。

但是由于染料激光器结构复杂，管理维护的专业性，染料寿命较短以及染料较低的饱和吸收强度限制了染料激光器的应用范围。

20世纪90年代，随着更稳定的钛宝石激光器的发展以及啁啾放大技术
天津大学硕士学位论文
（CPA Chirped Pulse Amplification）的发展和成熟，飞秒激光的脉冲持续时间已经达到了几飞秒甚至是几十飞秒。

Spence等人[5] 在1991年使用掺Ti的蓝宝石晶体实现了被动锁模，从而获得脉冲持续时间为60 fs的超短脉冲激光。

这一技术对飞秒激光的发展起到了巨大的促进作用。

此外，因为钛宝石的激光器的诸多优点，如：输出稳定，波长范围宽，可调谐，结构简单等，自其问世以来，以钛宝石为代表的固体激光器迅速成为飞秒激光研究领域的主流技术。

克尔透镜锁模理论是Hause等人[6]于1992年提出的，这一理论给出了掺钛蓝宝石激光器中的自锁模机制。

依据克尔透镜锁模理论，激光束因介质晶体中的克尔非线性效应而在通过介质时产生自聚焦的现象，与激光腔内的光阑结合形成一个类似于快可饱和吸收体的自振幅调制器。

同时，各种色散使得激光腔内纵膜之间产生相位的锁定，进而实现了激光的锁模，最终得到了脉冲持续时间极短的超短脉冲激光。

依据克尔锁模机制，掺钛的蓝宝石飞秒激光器的脉冲宽度得到了极大的减小。

此外，超短脉冲的激光器的小型化也得到了很大的发展，但是激光器自身存在的一些如自启动困难，抗干扰差等缺点对其工作的环境具有非常高的要求。

克尔透镜锁模的传统启动方法是加入一个外界的微扰。

半导体可饱和吸收反射镜的出现使得脉冲形成的初始阶段不依赖于克尔透镜效应，激光器可以运转于稳区中央，获得最高的稳定性。

在半导体载流子的动力学研究、激光受控核聚变等物理学的研究应用中，对激光器脉冲的峰值功率要求非常高。

普通的激光器所产生的激光脉冲无法达到该要求，因此，需要放大激光器输出的飞秒激光脉冲。

1985年，G.Mourou等人[7]借鉴了啁啾雷达技术，并将这一思路应用在激光脉冲的放大，提出了啁啾脉冲放大的设想，即利用展宽器将振荡级输出的种子光脉冲在时域上进行展宽，再使脉冲激光多次通过增益介质，使其得到多次的放大，最后利用压缩器将放大后的脉冲进行压缩，将其恢复到放大前的时域形状，这样就避免了直接放大过程中的非线性作用和高峰值功率对增益介质的破坏，并且再放大的过程中，长脉冲激光能够通过晶体中粒子的反转来获得能量，最终使得该放大系统的效率得到很大的提高。

图1-1所表达的是啁啾脉冲放大系统中光束的拉伸、放大和压缩的系统原理图[8]。

激光脉冲的峰值功率因激光的啁啾脉冲放大技术的发展得到了不断地提高。

日本的Yamakawa及其同事于1998年[9]采用三级掺钛蓝宝石激光放大系统，得到的飞秒激光脉冲宽度仅为19fs，其峰值功率达到100TW，重复频率为10Hz。

随后，以钛蓝宝石为代表的新一代的飞秒激光系统，依靠啁啾脉冲放大技术（CPA）能够将飞秒激光的脉冲宽度压缩到5 fs，并且能够得到单脉冲能量几焦耳的脉冲激光。

第1章绪论
图1-1 啁啾脉冲放大中光束的拉伸、放大和压缩系统的原理图[8]
掺钛蓝宝石的飞秒激光器以块状固体作为增益介质，该激光器受到两个方面的限制：一方面是过于复杂的环境要求造成经济成本和维护管理成本十分昂贵，严重限制了其应用范围；另一方面是块状固体激光的热效应大大限制了它的平均功率，使其无法满足需要高平均功率的飞秒技术应用领域。

与此同时发展起来的光纤飞秒激光器，它实现了飞秒激光的简单化、集成化、小型化且成本低廉，便于操作，在信息领域和其他领域获得广泛应用，但是受限于纤芯面积，平均功率低仍是其需要突出的短板。

21世纪初具有微结构特征的光子晶体光纤飞秒激光技术的诞生，将飞秒激光应用推向崭新的阶段。

光子晶体光纤自身的微纳结构，使其非线性、色散和偏振具有设计的灵活性和操作的便利性，它使飞秒激光具有了类型的多样性和应用的普适性。

它的平均功率可以高出钛宝石和传统光纤飞秒激光1～2个数量级，从而大大促进了飞秒激光在各个领域的普及化。

1.2飞秒激光的特征
飞秒激光因其具有极短的脉冲持续时间、加工时极高的峰值功率以及其自身特别广的频谱覆盖范围，在材料精细加工方面具有独特的优点。

与传统的长脉冲激光相比，飞秒激光能在极短的时间内将能量快速地输入到加工区域，这能够在很大程度上避免能量的线性吸收以及能量转移和扩散过程产生的不利影响。

飞秒激光特殊的能量作用方式能够使物质与激光之间的相互作用过程发生根本的改变。

因此可以将飞秒激光微加工视作高精度、高广泛性和高空间分辨率的冷加工过程。

飞秒激光在精细加工中具有以下优点[10,11]：
1.2.1 极窄脉冲宽度
天津大学硕士学位论文
飞秒激光极短的脉冲宽度（飞秒级别）使得飞秒激光能够应用于物理、化学、生物等多个研究领域的超快过程的检测控制中。

例如细生物学中细胞内部的一些动力学过程、化学反应中分子结构变化的过程、物理学中激光与物质的相互作用等。

同时，由于飞秒激光的脉冲持续时间小于晶格弛豫时间，在飞秒激光与物质相互作用时，热量来不及从电子传递到晶格中，这使得材料的冷加工成为可能。

1.2.2 极高的峰值功率
飞秒激光极短的脉冲持续时间使得飞秒激光具有特别高的峰值功率。

当飞秒激光通过物镜聚焦时，能够在时间和空间中同时达到极大的光子密度，从而导致其加工过程中具有极高的功率密度。

极高的峰值功率使得飞秒激光在加工材料时能使材料发生光子电离、等离子飞溅等非线性过程，达到突破光学衍射极限的加工精度[12]。

对于一般激光加工而言，由于受到衍射规律的限制，激光的波长必须小于加工区域的横向尺寸。

飞秒激光由于具有极高的峰值功率，其与物质的相互作用过程主要是多光子作用过程，而并非单光子过程。

飞秒激光的强度在空间上满足高斯分布，所以可以通过调节激光束光斑中心区域的强度值，使其恰好等于材料的电离阈值，则可以将微加工过程中材料加工区域能量的吸收以及其作用的范围局限在光斑中心很小的区域内，而不是整个加工区域，这样就可以得到小于光斑半径的加工尺寸。

1.2.3 加工三维的透明材料
超快激光最重要的特点之一是具有三维加工能力，并且这种作用仅局限在焦点范围内。

当飞秒激光未被聚焦时，光子数密度还不足以使透明材料发生有效的电离过程，所以不会对材料产生影响，但是当飞秒激光聚焦以后，在焦点处超高的光子数密度会引起诸如多光子电离、雪崩电离等过程。

紧密聚焦和直写的方法允许在材料内部进行广泛的相位和结构改变，如改变折射率，形成纳米空洞等。

因此，超快激光脉冲可以用来微调甚至完全改变透明材料内部的物理和化学性质，为在单一衬底上诱导和集成多种功能提供了可能。

飞秒激光对三维透明材料的加工技术可以制备一些特殊的光子器件，如光子集成芯片，还可以应用于眼角膜的内部切除，进而实现矫正视力的目的。

1.2.4 加工材料范围广
飞秒激光微加工材料时，对于射入的飞秒激光的光子，材料是以多光子的方式吸收的，而非以共振的方式吸收的，这是因为飞秒激光具有超高的峰值功率。

第1章绪论
因此飞秒激光的加工过程对激光的强度的变化的依赖特别高，这使得飞秒激光的加工具有特定的阈值特性。

当飞秒激光的脉冲宽度足够短，其峰值功率能够到达足够高时，飞秒激光能够对任何材料进行精细加工，而且飞秒激光的微加工与材料的种类无关。

这是因为多光子的吸收程度和电离的阈值与材料中自由电子的浓度没有关系，仅与材料中原子的特性相关。

由于上述特点，所以使用飞秒激光可以进行微纳加工的材料包括半导体、陶瓷、各种电介质材料、玻璃、聚合物以及生物材料和生物组织等。

特别是对于一些导热性能好易产生热扩散，熔点较低的金属材料的微纳加工，飞秒激光烧蚀加工的冷加工特性具有特别大的优势。

1.2.5 能够获得周期性表面微结构
当飞秒激光的功率密度低于材料的烧蚀阈值时，在材料表面的等离子波场的散射波场与入射波场相互作用下，能够在材料的表面形成周期性的微结构。

这种特殊的周期性微结构由于具有超疏水和吸波等特性而被应用在诸多重要的领域。

1.3 飞秒激光与物质相互作用基础理论
由于飞秒激光脉冲宽度远小于在电子和晶格子系统中建立热平衡所需要的时间。

因此，飞秒激光能以热扩散程度最小的方式进行材料的微加工。

除此之外，超短脉冲的光致电离和碰撞电离效应产生的非热平衡的电磁力，能够导致材料的迁移和移除，进而获得非常干净的表面结构[13-15]。

飞秒激光加工的基本理论因材料自身特性的差异而存在差异[16]。

根据前人研究，飞秒激光加工的材料大致可以分为三类：金属、半导体和电介质。

1.3.1 飞秒激光与金属材料作用基础理论
金属内部大量的导带电子通过逆韧致辐射或者焦耳加热的方式吸收飞秒激光的输入的能量，随后在电子子系统内发生能量的弛豫过程，经由扩散、碰撞和电子-声子耦合使能量从电子转移到晶格中[17]。

因此，飞秒激光与金属材料作用时激光的能量转换主要分为两个阶段：第一阶段，自由电子吸收飞秒激光的能量，晶格没有能量变化，电子升温；第二个阶段，晶格从自由电子中吸收能量，最终实现自由电子与晶格温度之间的热平衡。

其中第一阶段电子吸热的过程在皮秒量级的时间内就可以完成。

这时金属材料的温度系统可以分为晶格和电子两个不同的系统。

随后在电子与声子的相互作用下，晶格完成加热。

这种双系统温度的描述方式称为双温模型。

式(1-1) 和(1-2)是苏联的Anisimov 等学者[17]在1974年提出的双温模型的方程：
e ()()(,)e e e i C T T k T g T T S x t t x x
∂∂∂=--+∂∂∂ (1-1) ()i i e i C T g T T t
∂=-∂ (1-2) 其中T 和C 分别表示的是温度和热容， e 和i 所代表的下脚标分别表示的是电子和晶格。

k 和g 分别表示电子热导率和材料的耦合系数，S(x,t)表示激光热源，S 的表达式如下：
(,)()(1)exp()S x t I t R x αα=-- (1-3)
如图1-2所示，双温模型将电子和晶格分割开来，分别形成电子系统和晶格系统，并能够分别描述两个系统温度的变化[18]。

式(1-1)中，等号右边三项分别为：热传导项，电子之间的能量的传递；耦合项，电子与晶格之间能量的耦合；电子对激光能量的吸收。

式(1-2)表明电子与晶格产生的能量耦合引起了晶格温度的变化。

图1-2 材料吸收能量的过程[18]
双温模型能够将飞秒激光与金属相互作用时材料温度的变化过程清晰地描述出来，但是受激光脉冲持续时间、激光能量密度、金属电子-晶格能量交换能力和热性能等因素的差异，飞秒激光与材料相互作用时存在不同的机制：
（1）散裂和熔化。

当激光的能量密度低于材料的等离子体阈值时，材料仍能够产生烧蚀现象。

这一现象受固体中的机械散裂 [19,20]、气泡中的均匀形核和相爆炸[21,22]和气化[23]等在内的诸多因素的影响。

因此烧蚀现象受热效应和非热效应的影响，烧蚀过程中存在两种典型的烧蚀机制：散裂和熔化。

散裂是指高能粒子与质量核相互作用后能将靶打散，出现很多自由核子或很
轻的原子核的现象。

Perez等人[24]发现当超短脉冲照射固体材料后，材料内部的膨胀和压力存在着明显的变化[20]。

加工过程中产生飞溅是因为材料内部产生的应力大于材料自身强度的限制。

图1-3[19]是当飞秒激光脉冲持续时间为200 fs时，材料收到低能量密度的激光辐照后的模拟结果。

如图所示，在10 ps时，材料表面附近产生大量的小孔。

随着辐射时间的延长，这些小孔逐渐合并长大，最终导致表层材料的溅射（30 ps）。

随着材料的继续膨胀，在大约80 ps时，材料的溅射层完全剥离。

这项研究表明，散裂往往发生在激光能量密度接近于材料烧蚀阈值时，并且这种机制与飞秒、皮秒脉冲的烧蚀密切相关。

图1-3散裂机制引起的表层材料的剥离[19]
根据原子的连续模型，Ivanov和Zhigilei对飞秒激光加工材料时的熔化机制进行了讨论分析。

当飞秒激光脉冲的能量密度接近于材料的熔化阈值时[24]，金属薄膜的熔化存在两种相互竞争的机制，即从材料外表面开始的固液界面推进机制和材料内部的均匀形核机制。

通过对两种电子-声子耦合能力不同的Ni和Au进行模拟实验，研究飞秒激光脉宽从200 fs增长到150 ps时，这两种金属的熔化情况。

其中Ni的电子-声子耦合系数（即热能向邻近组织传递消散温度降低一半时相对应的速率）为53.63×1017 W/m3K，Au的电子-声子耦合系数为2.1×1016 W/m3K。

当飞秒激光脉冲能量密度接近于材料的烧蚀阈值（Ni：0.043 J/cm2；Au：0.013 J/cm2），脉冲持续时间为200 fs时，这两种金属的模拟结果图1-4所示。

量密度：0.043 J/cm2；右侧：Au，能量密度：0.013 J/cm2。

红色为固相，蓝色为液相[24]
图1-5200 fs脉宽，0.0130 J/cm2吸收能量密度的飞秒激光作用下，点阵温度的等高线。

实
线表示熔化刚开始，虚线表示熔化结束[24]
研究表明，对于电子-声子耦合能力强的材料，受到飞秒激光作用时，能较快地发生熔化，且熔化时间短。

如在Ivanov和Zhigilei的研究中，对于电子-声子耦合能力强的Ni，在飞秒激光作用14ps时开始熔化，并且在5 ps后熔化深度达
到30 nm。

Ni在飞秒激光加工后其固液转化的过程为均匀形核的过程。

但是，对。