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诺派《激光小学堂》(2): 超快激光微加工的热积累效应
作者:npilasers001  来源:  时间:2018-12-25  点击:472

第一期《激光小学堂》和大家分享讨论了超快激光微加工的的基本概念。在前期课堂里面我们理解了超快激光微加工的加工含义,为什么又会出现热积累(Heat Accumulation)效应呢?尤其是近几年由于超快激光精密焊接应用(焊接本身就是热熔融重新固化的过程)的渐渐流行,使很多读者在这个知识点上更感到困惑,本期小编就将围绕这个问题给大家答疑解惑。

 

热积累效应

超快激光的脉冲重复频率是影响超快微加工热积累效应的关键参数[1]。在介绍超快激光微加工热积累效应之前,我们先重述一下三个与时间相关的激光参数,避免混淆

(1) 脉冲宽度(τ)是指激光输出的单个脉冲的持续时间,通常取脉宽的半高宽度值(FWHM),如1(a)所示;

(2) 脉冲重复间隔(Pulse Repetition Interval, PRI),即一个脉冲和它相邻的下一个脉冲之间的时间隔,如图1(b)所示;

(3) 脉冲重复频率(Pulse Repetition Rate or Frequency,PRR or PRF),其倒数就是脉冲重复间(PRR = 1/PRI),即每秒钟激光系统发射的脉冲个数。

 

1 (a) (b)分别为脉冲宽度及脉冲重复间隔示意图

 

为了更好地说明超快激光微加工可以引起热积累效应,这里借用了Eaton[1]通过超快激光在硼硅酸盐玻璃内部进行辐照的实验来做例证。他们通过调节脉冲重复频率和能量强度,可以很明显地观察到在激光焦点周围由于热积累效应而引起的玻璃结构变化。如图1.2,超快激光聚焦后的光斑直径约为2微米,当重复频率>200kHz(如500kHz)的情况下,可以很清楚观察到受辐照影响区域远大于2微米,尤其是当重复频率>1MHz的情况下,结构变化的区域是光斑大小的几十倍以上,而这些结构的变化是由于热扩散而导致的。在这个玻璃体系内,当脉冲重复频率>200kHz时,相邻脉冲之间间隔变短,产生的热叠加效果明显增强,从而在聚焦区域累积产生一个高温环境,即热积累效应,接着由于热扩散而影响周围的结构发生变化。在超快精密微加工过程中,很多时候为了避免这种热积累带来的副作用,通常会采用比较低的重复频率(<500kHz),同时为了兼顾加工效率,从而引入脉冲串(Burst mode)功能(后期本学堂会对超快激光脉冲串功能做详细介绍)。另外,超快激光的热积累效应并不都是不利的,有时候也可以被利用来做玻璃焊接以及在玻璃内部直写光波导 [1]、诱导定向析晶[2]等。



1.2 超快激光在硼硅酸盐玻璃内部辐照区域的光学显微图[2]

 

热动力学过程

超快激光的加工和热积累并不矛盾,只是两个不同的物理过程,有时候也会同时存在。这里加工是指当超快激光的脉冲能量大于材料损伤阈值并引起化学键断裂、诱导击穿,聚焦区域内的局部热量会通过汽化的方式带走,残留的热量非常小,当不产生热积累(或非常小)时,对周围材料的几乎没有影响。然而,当调节激光的脉冲能量在一个中等值区间时,此时聚焦处未被汽化变成空孔或裂缝,而是产生瞬时的高温热量,在这种情况下,当重复频率提升到某一值时就很容易产生明显的热积累效应。

对于后一种情形,图1.3通过不同时间尺度上的热动力学过程来进一步解释说明[3]。当超快脉冲激光辐照玻璃时,焦点区域在极短的时间<1ps吸收热量,温度快速升温至>1500k以上,紧接着在100ns时间内,受热区域的结构会经历玻璃网络体结构由松弛到热平衡的过程。由于焦点的温度非常高,所以由内向外会形成一个温度梯度场使热量由内向外扩散,整个热扩散过程发生在几μs以内(<10μs)。由此也可以看出,热扩散的时间是一个非常重要的参数,决定了热积累过程是否会发生,它所直接对应的就是超快激光的脉冲重复间隔(其倒数就是脉冲重复频率)。

1.3 超快激光在玻璃内部作用的热动力学过程示意图

 

由于单一超快脉冲的持续时间非常短,所以超快激光与物质相互作用的过程通常包含了脉冲动态叠加的作用,脉冲重复间隔直接影响叠加的效果。如图1.4,在透明玻璃介质中,不同重复频率的超快脉冲与物质相互作用过程中的印记效果示意图,其中的重复频率值会随不同的辐照材料以及物理作用而不同。由图可知,脉冲重复频率越小,脉冲重复间隔就越大,相邻脉冲之间的叠加作用效果就越小,并且当重复频率降低到某一值时,这种叠加作用效果完全消失。结合图1.3和图1.4可以看出,如果脉冲重复间隔小于单脉冲作用的热扩散时间,则会产生热积累效应,也就是说,前一个脉冲产生的热量来不及完全扩散恢复到平衡,下一个脉冲已经到达聚焦点产生新的热量,从而产生热量叠加的效果,并且这种时间间隔越小,热量叠加效果越明显,即脉冲重复频率越高,热积累效果越明显。


1.4. 不同重复频率下,相邻脉冲之间的叠加作用效果示意图

 

参考文献

[1] S. Eaton, t al. “Heat accumulation effects in femtosecond laser-written waveguides with variable repetition rate,” Opt. Express 13(12), 4708–4716 (2005).

[2] C. Fan, et al. "3D photo-precipitation of oriented LiNbO3 crystals in silica-based glass with femtosecond laser irradiation," Opt. Lett. 37, 2955-2957 (2012).

[3] M. Sakakura, t al. "Heating and rapid cooling of bulk glass after photoexcitation by a focused femtosecond laser pulse," Opt. Express. 15, 16800-16807 (2007).  

(由于激光与物质的相互作用机理复杂,并且新的研究认知也在不断发展更新,限于小编水平有限,如不当或错误之处,望批评指正。)

 

相关链接

1. 诺派《激光小学堂》(1): 超快激光加工的

 

下期预告

1. 诺派《激光小学堂》(3): 超快激光加工的PSO和脉冲串功能

 

 

 

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