5 激光等离子体

Qx, y, z, t qx, y, z, t
从理论上讲，根据加工时的各工艺参数以及初始条 件，可以解出加工过程中激光照射区的温度场分布。 但实际加工时，各方面的因素使热传导方程的求解 十分困难
简化：如果半无限大（即物体厚度无限大）物体 表面受到均匀的激光垂直照射加热，被材料表面吸 收的光功率密度不随时间改变，而且光照时间足够 长，以至被吸收的能量、所产生的温度、导热和热 辐射之间达到动平衡，此时圆形激光光斑中心的温 度可以由下式确定
（3）激发态原子与电子相互作用产生电离 Al*+e+2.86eV——Al++2e （4）激发态Al*的辐射湮灭 Al*——Al+hv （5）共振光子的再吸收引起光致再结合和光致电离 Al*+e——Al+hv （6）电子的碰撞迟豫过程 （7）通过原子和离子的碰撞引起的激发、电离和再 结合等 Al+Al+3.14eV——Al*+Al Al+Al+6.0eV——Al+Al+e Al+Al*+2.86eV——Al++Al+e Al++Al+3.14eV——Al++Al* Al++Al+6.0eV——Al++Al++e Al++Al*+2.86eV——Al++Al++e
当激光由空气垂直入射到平板材料上时，根据菲 涅尔公式，反射率为
n1 1 n22 n 1 R 2 2 n 1 n1 1 n2
2 2
(2) 材料的加热 设入射激光束的光功率密度为qi，材料表面吸收 的光功率密度为q0 ，则有
q0 Aqi qi 1 R
进一步假设照射激光是高斯光束，且入射到表面上 的光束有效半径为，则激光光斑的功率密度可用离 开中心的距离表示为 2
持续加热得到的光斑中心的温度最大值为
r q S r q S 0 exp 2 r
AqS 0r T 0,0, 32 2 t
(3) 材料的熔化与气化 激光功率密度过高，材料在表面气化，不在深层 熔化；激光功率密度过低，则能量会扩散到较大的 体积内，使焦点处熔化的深度很小
AP T 0, r0 t
如果光照时间为有限长(s)，考察点离开表面的距离 (cm)也不为零，此时圆形激光光斑中心轴线上考察 2 点的温度为 2 AP z 2 r0 kt z T z, t ierfc ierfc r0 2 t 2 kt 2 kt
激光从表面入射到材料内部深度为处的光强 az 0
qz q e
一般将激光在材料内的穿透深度定义为光强降至 I0/e时的深度，因而穿透深度为1/a
为了得到加热阶段的温度分布，必须求解热传导 微分方程。对于各向同性的均匀材料，激光加热的 热传导偏微分方程的一般形式为 T T T T cl t t y z t z Qx, y, z, t t x x y 如果光功率的损耗全部变成热量，则有
激光作用于靶表面，引发蒸气，蒸气继续吸收激光能量， 使温度升高，最后在靶表面产生高温高密度的等离子体。 等离子体迅速向外膨胀，在此过程中继续吸收入射激光， 阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。等离子 体继续吸收激光剩余能量，并继续向外迅速膨胀，形成等 离子体冲击波，直至最后等离子体熄灭。
5.5.2 蒸气等离子体的发展模型 （1）蒸气等离子体向真空膨胀可视为一维膨胀； （2）忽略散射和热传导，考虑靶表面蒸气的热辐射； （3）考虑靶表面的反射效应； （4）认为蒸气等离子体处于局部热力学平衡。 5.5.3 等离子体点燃时间 袁刚等人归纳了国外的大量实验数据，提出了激 光等离子体点燃的判据： [P/（W ∙cm-2）]2/3[t/s]0.5[λ/um]0.36>(0.95~1.5)×102 5.5.4 等离子体屏蔽机制 等离子体的屏蔽系数为
5 激光等离子体的形成及 应用



工作物质 能在特定的条件下，使高能级的粒子数多于低能级的 粒子数，即粒子数反转。 固体、液体、气体 谐振腔 使受激辐射产生的光在腔内不断地来回反射，在此期 间，每经过一次工作物质，光就得到一次放大，当光被 放大到超过腔内损耗（如衍射、吸收、散射等损失)，就 产生了光振荡，并在部分反射镜一端输出激光。 激励源 为激光器提供能量的来源和方式，以在工作物质中形 成粒子数反转。 电激励和光激励
5.5.1 蒸气的电离过程 以激光与铝靶相互作用为例。 在铝蒸气中，通常认为存在两种吸收机制：第 一种是自由电子通过逆韧致辐射吸收光子能量，第 二种吸收机制是铝激发态的光致电离，因为蒸气温 度很高，所以有部分铝原子处于激发态，这部分原 子较基态铝原子容易电离。 其电离过程： Al的第一电离能约为6.0eV,第二电离能为18.83eV， 最低激发态能量为3.14eV，第二激发态能量为3.6eV （1）电子碰撞并激发中性Al原子 Al+e+3.14eV——Al++eBiblioteka Baidu（2）基态Al原子直接吸收激光能量电离成Al+ Al+e+6.0eV——Al++2e
5.4 激光与物质相互作用原理
对激光与材料的相互作用过程的物理描述可以分为 以下四个方面： (1) 材料对激光的吸收 激光热加工时首先发生的是材料对激光能量的吸 收。透入材料内部的光能主要对材料起加热作用。 不同材料对不同波长激光吸收率不同。假设材料 表面反射率为R，则吸收率为
A 1 R
5.1 激光器的共同特性和结构特点
固体激光器结构示意图 1—全反射镜 2—工作物质 3—玻璃套管 4—部分反射镜 5—聚光镜 6—氙灯 7—电源
5.2 激光束特性


方向性强 激光束的方向性与激光器的工作物质种类和光 学谐振腔的形式等有关 单色性好 单色性好。普通光源的发光是大量能级间的辐 射跃迁，其谱线很宽，呈连续或准连续分布，是多 种波长的光。 激光的单色性好，一些气体激光器，如氦氖激 光，谱线宽度极窄，不到10-8 nm。这比普通光源中 单色性最好的氪(86Kr) 灯的谱线窄数万倍。
5.6 激光等离子体发射光谱


由上面激光烧蚀等离子体的形成过程可以看出，激光 等离子体是一个高温体系。在以前的实验中曾经测量 过激光烧蚀产生的等离子体电子的温度可达10 4 K 以 上，在这样的高温体系中，一切物质都可以熔化成为 分子或原子，而且分子、原子或离子可以被激发到不 同的能级上，因而存在高能级向低能级的跃迁，产生 很强的发射光谱。激光等离子体的发射光谱有以下两 个重要特征： 第一，激光等离子体发射光谱有很强的连续背景辐射。 连续辐射产生的原因是：在原子的离化极限以上是能 量的连续区，接近离化限处有一片准连续能级区这是 由于高密度电子与离子的电场与高温展宽
5.3 激光的应用

工业 目前激光已广泛应用到激光焊接、激光切割、激 光打孔（包括斜孔、异孔、膏药打孔、水松纸打 孔、钢板打孔、包装印刷打孔等）、激光淬火、 激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微调、 激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、 激光修复电路、激光布线技术、激光清洗等。
图1 各种参数条件下激光加工的可能应用和影响
式中，dθ叫做光学厚度，表征激光穿过蒸气等离子 体被吸收的情况。 如果把蒸气看作均匀的，那么有
d Ks dx Ks dx Ksl
Ps 0 0
P
l
或
1 exp(d )

激光等离子体冲击波的形成 若入射激光强度I 1足够大, 材料表面在极短瞬间吸 收极高能量, 则所产生的等离子体物质冲击波速度大于 声音冲击波速度, 并导致相当多的金属蒸气物质冲击, 此 种类型等离子体冲击波归结为激光维持的爆轰波; 当激光强度I 3相对较低时, 则材料冲击波速度低于 声音冲击波速度, 即以亚音速度传播, 并具有较小的金属 蒸气物质冲击, 其冲击波能量来自于等离子体吸收激光 后产生的等离子体辐射, 这叫做激光维持燃烧波; 当激光强度I 2处于I 3< I 2< I 1时, 所产生的等离子体 物质冲击波, 与声音冲击波具有相近的传播速度, 称之为 激光维持弱爆轰波. 同样条件下, 等离子体冲击波的大小主要与入射激光 强度有关. 激光维持的燃烧波有利于焊接过程的进行, 而 爆发波使焊接过程无法进行, 必须加以控制.
(4) 激光等离子体屏蔽现象
图2 等离子云变化的过程
5.5 固体靶表面激光等离子体形成与发展机理

激光等离子体的形成 在激光烧蚀固体靶的过程中，当激光功率密度 达到一定的阈值，便会产生等离子体，其产生的微 观机理可以分为两步： 第一步，当激光照射在金属表面，金属表面附近 的电子通过逆韧致复合而吸收光子，吸收了能量的 电子再通过电子－声子相互作用而将其吸收的能量 传递给金属晶格。电子在被加热的过程和晶格的能 量传递都是在几个皮秒的时间内完成，因而电子温 度与晶格的振动温度上升很快，最终导致晶格间键 的断裂发生金属的气化、爆炸等现象。


第二步，烧蚀的初始产物与激光在靶面附近相互作 用，导致溅射出的物质进一步加热、电离等。这一 过程产生三个主要的效应：一是金属导带中的电子 在晶格场中由于吸收激光辐射而进一步电离有可能 引起雪崩式电离过程发生;二是具有一定能量的离子 与原子、分子碰撞也可引起电离发生；三是处于激 发态的原子和分子的光电离和处于基态的原子分子 的多光子电离同时存在。那么经过这两步以后，就 会在金属靶表面形成原子、分子、离子、团簇等共 存的激光等离子体。



了原子与离子的能级，他们相互靠得很近以致发生能 级重叠。等离子体温度越高，电离程度越高。电子在 连续区域或连续与分立能级之间的跃迁构成了连续光 谱。由于产生连续跃迁的范围很大，连续光谱区很宽 从紫外到红外都有。但是影响连续背景的大小与诸多 因素有关，特别是与所加的缓冲气体的气压有关，缓 冲气体气压越高，背景辐射越强。 第二，在连续辐射背景上叠加的分立的原子、离子谱 线具有不同的演化速率。分立谱来自电子在原子和离 子束缚能级间的跃迁。随时间的推移，各原子和离子 光谱线的强度呈现不同的变化趋势。总体上表现为所 用谱线的强度随时间先增加后减弱。 总之，激光烧蚀的等离子体光谱存在连续辐射形成的 连续谱，以及电子在不同束缚能级间跃迁产生特征辐 射形成的分立谱。
7 激光等离子体参数测量方法


激光等离子体参数测量方法 光学阴影法、高速摄影法、激光干涉法、 Thomson散射法和激光光谱法等等。 其中；光学阴影法只能定性的给出激光等离子 体折射率的分布，不能进行定量的分析
准直光纤 α+Dα Q’
DyD
Dy
y x L
α Q
Z
阴影法探测原理



高速摄影法只能对激光等离子体的形态演变进 行研究，不能进行定量的研究。 光谱法可以测量激光等离子体的电子密度等参 数，然而，对于激光等离子体的初期，由于等离子 强烈的连续背景光辐射，很难通过光谱法获得激光 等离子体的电子密度。 当外来电磁波入射到自由电子上时，电子作 受迫振动，从而向外辐射电磁波，这个过程可视作 电子对入射电磁波的散射，特别当相对论和量子效 应可忽略的情况成为Thomson散射。 Thomson散射 法可以测量很高的密度，然而实验却非常的复杂。
1 exp[ K s ( x)dx]
0
l
Ks与波长的平方成正比。
现设一功率密度为Ps0的入射激光穿透长度为l的蒸 气等离子体区域，透射激光功率密度为P，那么有
dPs K s Ps dx P dP Ps Ps 0 s d ln ln Ps 0 P Ps 0 Ps s


相干度高 是指在空间任意两点光振动之间相互关联的 程度 。激光是受激辐射产生的，发射的光子具有 相同的频率、位相和方向，因而相干性很高。 能量密度大 激光的功率密度大是通过光能在空间的高度集 中实现的。如果将激光发射的时间尽量缩短可以 获得更高的峰值功率 。


医学 从1962 年第一例用激光治疗视网膜脱落开始， 激光医学逐渐发展，现已在医学领域开辟了一 个广阔的天地。目前激光应用最多和最成功的 是在眼科和皮肤科。通过光导纤维进行介入的 激光光动力治疗也很有前途。 军事 强激光技术 （激光武器、激光推进)、激光模 拟训练技术 ,激光测距技术、激光制导技术、激 光通信技术 。