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激光燒蝕的應(yīng)用 4$W}6 v Cpg>5N~;L 激光燒蝕工藝應(yīng)用于激光材料加工的許多領(lǐng)域: 'tJb(X!]q T~D2rt\
v?6g.
[;? · 在激光切割、鉆孔和激光銑削等激光加工過程中，需要去除一定數(shù)量的材料。 r f\/Y "D · 這同樣適用于用于激光打標(biāo)或其他目的的激光雕刻。在這里，人們通常需要去除材料直到一個(gè)明確定義的深度。獲得的均勻性和由此降低的表面的低粗糙度可能是重要的。通常，燒蝕是通過一系列的激光脈沖來完成的，每一個(gè)激光脈沖都在前一個(gè)激光脈沖的位置上輕微移動(dòng)。這一過程適用于各種材料，如金屬、陶瓷、玻璃和聚合物。 n,Gvgf · 機(jī)器零件是經(jīng)過加工得到的顯微組織表面。例如，為了減少潤滑部件的摩擦，例如內(nèi)燃機(jī)的汽缸和活塞。 |[+/ ]Y · 某些類型的激光表面修飾還涉及燒蝕，通常在微觀尺度上。 X}f u $2 · 激光清洗意味著去除某些不需要的材料類型，這些材料通常比底層基材更好地吸收激光輻射。這種選擇性在實(shí)踐中通常非常有助于完全去除所有不需要的材料，同時(shí)保留襯底材料。 g PJZpaS · 薄膜光伏電池需要在其邊界處絕緣，即需要燒蝕金屬層。此外，接觸它們通常需要燒蝕一些絕緣層。 .:wo
ARW! · 脈沖激光沉積利用激光燒蝕材料，以便將其沉積到其他地方。 1\u{1
V · 一個(gè)奇特的應(yīng)用是將激光推進(jìn)，利用燒蝕材料的后坐力。對于遠(yuǎn)高于火箭廢氣速度的反沖速度，激光推進(jìn)在所需推進(jìn)劑質(zhì)量方面可能更有效，同時(shí)需要更多的能量（例如來自核反應(yīng)堆）。 PS:"mP7n 在材料加工領(lǐng)域之外也有應(yīng)用，例如激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）。這里，一個(gè)光譜分析產(chǎn)生的等離子體羽流的輻射。 Ea<kc[Q (JX 9c 激光消融的非技術(shù)應(yīng)用主要在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域: cPp<+ ts qT153dNA&
% M7EO a · 激光手術(shù)可以非常準(zhǔn)確地切除精細(xì)結(jié)構(gòu)（例如，惡性腫瘤的部分），而不會顯著影響其鄰近區(qū)域；然而，處理速度可能相當(dāng)?shù)汀?/font> Y[~Dj@Q< · 激光消融也可用于牙科治療齲齒，當(dāng)使用波長合適的激光時(shí)，可以選擇性地去除受蛀牙影響的組織，同時(shí)保留牙齒未受影響的部分。 L9} %tEP 9YQYg@+R
r,8~qHbOT 激光燒蝕的物理學(xué) lnQfpa8j
激光的吸收 bCfw,V{sce BJ*8mKi h
I?R?rW 一些入射激光被吸收，其能量轉(zhuǎn)化為熱量。通常，應(yīng)選擇激光的波長以使吸收長度相當(dāng)短。這樣，入射功率就會被吸收在一個(gè)小體積中，從而引起相應(yīng)的強(qiáng)烈加熱。反射損耗通常也相當(dāng)小。 YJ m64H,[ 為什么近紅外激光被如此頻繁地使用? (8In f_ 59 激光燒蝕通常使用近紅外光完成，主要是因?yàn)樵谠摴庾V區(qū)域可以找到性能最好且最便宜的激光器。然而，增加的吸收通常可以通過倍頻來實(shí)現(xiàn)，例如從1μm波長區(qū)域到0.5μm左右的區(qū)域，從而有效地獲得綠色激光。 O[<YYL 0 例如，銅對綠光的吸收比對原始紅外光的吸收要好得多，因此盡管在倍頻過程中脈沖能量損失很大（通常為50%左右），但燒蝕過程可以變得更加有效。當(dāng)頻率增加三倍或四倍時(shí)，甚至可以進(jìn)入紫外線區(qū)域，許多材料在該區(qū)域獲得非常強(qiáng)的吸收�；蛘�，可以直接從紫外激光開始，例如準(zhǔn)分子激光。 1}/ 37\ 非線性吸收過程通常與激光燒蝕密切相關(guān)。 -\I".8"YE 一種特殊情況是用激光切割透明材料，如光學(xué)玻璃，例如在近紅外波段，通常不會被吸收到任何顯著程度。然而，當(dāng)施加非常高光強(qiáng)的光時(shí)，可以通過非線性過程獲得大量吸收，這可以通過應(yīng)用放大的超短光脈沖來實(shí)現(xiàn)。 E{8-VmY 最初，該過程可能以多光子吸收開始，一旦材料的狀態(tài)被沉積的能量實(shí)質(zhì)性地改變，吸收可能進(jìn)一步實(shí)質(zhì)性地上升(反常吸收)。 ) RCva3Ul 即使在低強(qiáng)度水平下已經(jīng)獲得足夠強(qiáng)的吸收，在激光燒蝕過程中也經(jīng)常發(fā)生顯著的異常吸收。 - Cc2|~n 在某些情況下，利用選擇性吸收(依賴于材料的吸收)，例如，在激光清洗中(見下文)。在這里，正確選擇激光波長就顯得尤為重要。 hd%O\D? Ha41Wn'tZ 物料噴射 `:*O8h~i^8 pPH" 6
ir<K"w i(2 通常涉及燒蝕材料的汽化。 J#) %{k_ 例如，當(dāng)僅對金屬施加中等光強(qiáng)度時(shí)，沉積的能量可能僅足以熔化。少量產(chǎn)生的金屬蒸氣可用于通過其蒸氣壓排出液體（熔體）�；蛘�，可以為此目的使用燃?xì)鈬娚淦�，通常只有重力是不夠的�?/font> ~ !7!Y~(+ 然而，更頻繁的是，人們施加更高的強(qiáng)度，這樣所有被移除的物質(zhì)都蒸發(fā)了，并以羽流的形式離開了現(xiàn)場。通常，與激光的相互作用進(jìn)一步電離蒸汽，導(dǎo)致等離子體。 D:=Q)Uh0I 出現(xiàn)的等離子體羽流可能實(shí)質(zhì)上與激光輻射相互作用，在某些情況下屏蔽工件免受激光照射。這種效應(yīng)可能會大大降低該工藝的效率。然而，在某些情況下，等離子體甚至通過吸收更多的激光（即通過反射減少功率損失）和通過熱輻射傳遞能量來支持燒蝕過程。 :pw6#yi8` 在這種情況下，經(jīng)常使用升華一詞。這意味著在任何時(shí)候都沒有大量的液相存在，因?yàn)闊崃康目焖俟⿷?yīng)會很快使任何物質(zhì)蒸發(fā)。這是實(shí)際意義上的升華，與熱力學(xué)的意義不完全相同。 X aw&41K I&Z+FL&@f 熱傳導(dǎo)，使用短激光脈沖 g^)8a;/c XCyAt;neon
H$)__V5I,q 如果施加連續(xù)的激光或長脈沖，產(chǎn)生的大部分熱量可以通過熱傳導(dǎo)擴(kuò)散到材料中。這通常是不希望的，因?yàn)榧词辜訜崛匀蛔銐驈?qiáng)，導(dǎo)致燒蝕，在燒蝕過程后可能會有一個(gè)大的熱影響區(qū)（HAZ）。該區(qū)域可能表現(xiàn)出氧化、幾何形狀的變化或其他形式的退化。特別是在金屬中，表現(xiàn)出高導(dǎo)熱性（由于電子的額外熱傳導(dǎo)），熱傳導(dǎo)可能是相當(dāng)有害的。在像陶瓷、聚合物和玻璃這樣的絕緣體中，這反而很簡單。 Aa!#=V1d 限制熱傳導(dǎo)影響的一個(gè)簡單方法是在很短的時(shí)間內(nèi)施加能量。對于激光，這意味著應(yīng)用短甚至超短的光脈沖，可以用各種脈沖激光產(chǎn)生： L43]0k 納秒激光提供了最便宜的解決方案，盡管效果并不理想。 XY)I
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