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聚焦激光剝蝕鐵靶實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探析

前言:想要寫出一篇引人入勝的文章?我們特意為您整理了聚焦激光剝蝕鐵靶實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探析范文,希望能給你帶來(lái)靈感和參考,敬請(qǐng)閱讀。

聚焦激光剝蝕鐵靶實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探析

自從1960年美國(guó)人梅曼制作了世界上第一臺(tái)激光器后,激光因其能量集中、方向性好、相干性好、單色性好,在激光加工中得到廣泛研究與應(yīng)用.目前國(guó)內(nèi)很多高校開設(shè)光電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)及光信息處理專業(yè),激光原理是這2個(gè)專業(yè)的重要必修課.雖然學(xué)生做了很多光學(xué)方面的物理實(shí)驗(yàn),但沒(méi)有經(jīng)過(guò)激光實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練,學(xué)生仍然很難將激光原理與物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等其他相關(guān)學(xué)科交叉學(xué)習(xí),對(duì)激光器工作原理、結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)及激光的主要性能參量測(cè)試沒(méi)有感性認(rèn)識(shí).為了彌補(bǔ)這一缺憾,在聚焦脈沖激光剝蝕靶材前首先采用相關(guān)設(shè)備測(cè)試自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器輸出脈沖激光的主要性能參量,如能量、脈沖寬度、工作頻率等,脈沖激光聚焦靶材表面剝蝕后的形貌采用體視顯微鏡觀測(cè),以評(píng)價(jià)不同激光參量對(duì)剝蝕后形成的凹坑形貌的影響.

1激光參量測(cè)試

激光剝蝕靶材前測(cè)量自由運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖鈥激光參量。

1)測(cè)激光能量.為防止激光對(duì)光功率能量計(jì)探測(cè)器敏感端面造成損傷,激光器出光端面距光功率能量計(jì)(以色列Ophir公司,表頭NOVAII,探測(cè)器PE50BF-C)敏感端面50mm.激光器輸出的脈沖激光輻照在光功率能量計(jì)探測(cè)器上,探測(cè)結(jié)果在附帶表頭上動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示.?dāng)?shù)據(jù)采集軟件可動(dòng)態(tài)顯示激光能量/功率隨時(shí)間變化關(guān)系曲線,也可以TXT文件保存采集的能量/功率數(shù)據(jù).為了鍛煉學(xué)生運(yùn)用數(shù)據(jù)軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力,用Origin8.0軟件對(duì)保存的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行必要的處理.

2)測(cè)激光脈寬.距離光功率能量計(jì)探頭50mm處,以一定角度放置光電探測(cè)器(PV-3,波蘭Vigo公司,響應(yīng)時(shí)間τ<15ns),探測(cè)到部分反射光信號(hào),轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)輸入示波器(泰克,DPO4104),示波器記錄激光脈沖波形.結(jié)果表明:泵浦電壓為960V,泵浦脈寬為0.9ms,頻率5Hz時(shí)鈥激光脈沖的半高全寬為570μs.表明激光器初始輸出脈沖能量較大,第5s時(shí)探測(cè)到的瞬時(shí)能量為2.17J,5s內(nèi)測(cè)得平均能量為2.133J,最大能量值為2.31J,最小能量值為2.05J,能量標(biāo)準(zhǔn)偏差為61.32mJ,探測(cè)到的激光頻率為5Hz.設(shè)置脈沖鈥激光輸出頻率為5Hz,調(diào)節(jié)激光器電源的泵浦電壓和泵浦脈寬,使輸出的脈沖激光能量分別為2.067J,2.147J,2.133J時(shí),對(duì)應(yīng)的激光脈寬分別為1010μs,952μs,598μs.由于脈沖激光能量波動(dòng)在5%范圍內(nèi),可視為激光能量恒定輸出且平均值為2.1J.

2聚焦鈥激光剝蝕靶材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1實(shí)驗(yàn)流程

由于2.1μm波長(zhǎng)鈥激光在普通的玻璃材料制作凸透鏡中傳輸時(shí)損耗較大,因此不能用普通K9玻璃材料制作凸透鏡聚焦鈥激光脈沖.另外,作為增益介質(zhì)的固體棒直徑為10mm,激光器諧振腔端面輸出的光斑直徑約為8mm.選擇直徑15mm、焦距15mm的氟化鈣材料制作的雙凸透鏡聚焦脈沖激光.搭建如圖4的實(shí)驗(yàn)平臺(tái).頻率5Hz的脈沖鈥激光經(jīng)氟化鈣透鏡聚焦在靶材表面,持續(xù)10個(gè)脈沖,每組參量的實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次.靶材為鑄鐵片(15mm×15mm×2mm),鐵片固定在三維調(diào)整支架上,可三維移動(dòng)控制.為了實(shí)現(xiàn)打孔的精確定位,可以利用調(diào)整架對(duì)靶材位置進(jìn)行微調(diào),使激光聚焦在靶材表面,操作步驟如下:1)調(diào)制好光路,在三維調(diào)整架上裝靶材并試探性打孔.)調(diào)節(jié)激光器電源參量,降低輸出的激光能量并調(diào)節(jié)支架,使得聚焦激光剛好能在靶材上打孔,而沿光軸方向前后移動(dòng)靶材后均不能打孔,則可定位聚焦點(diǎn).

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)鈥激光脈沖剝蝕后的鐵片放在體視顯微鏡(鏡頭LeicaM205A,攝像系統(tǒng)LeicaDFC550)下觀察.圖中(a1),(b1)和(c1)為凹坑表面二維形貌圖,(a2),(b2)和(c2)分別是對(duì)應(yīng)的凹坑底部形貌放大圖。,脈沖鈥激光剝蝕鐵片形成的凹坑呈表面大、底部小的錐形,凹坑表面總體呈橢圓形,但短脈寬[如(c)598μs]時(shí)凹坑表面形狀更規(guī)則.因?yàn)榫劢构獍叩男蚊蚕嗤?,?duì)于離聚焦中心一定距離的點(diǎn)來(lái)說(shuō),短脈寬時(shí)該點(diǎn)處激光功率密度高,鐵的熔融過(guò)程顯著,鐵片被剝蝕.激光脈寬長(zhǎng)時(shí),激光功率密度低于剝蝕閾值時(shí)沒(méi)有剝蝕現(xiàn)象發(fā)生.(a)和(b)2組實(shí)驗(yàn)中的凹坑內(nèi)部顏色呈以藍(lán)和黃褐色為主的彩色,凹坑(c)中還出現(xiàn)紅色.一般而言,鐵的氧化物為黑色(如四氧化三鐵、氧化亞鐵)和紅棕色(三氧化二鐵),與凹坑(a)~(c)的顏色有出入,顯然這3組實(shí)驗(yàn)條件下的剝蝕產(chǎn)物成分更為復(fù)雜.對(duì)于圖(a1)~(c1),凹坑內(nèi)壁可見環(huán)狀分層的紋路,這是因?yàn)殍F片受激光輻照后升溫,進(jìn)而熔化,由于該過(guò)程反應(yīng)劇烈,部分熔融物飛濺出去,導(dǎo)致鐵片的剝蝕發(fā)生,每次脈沖作用意味著1次剝蝕過(guò)程,在下次剝蝕發(fā)生前,熔融物冷卻時(shí)會(huì)留下痕跡,即圖中藍(lán)色的環(huán)狀紋路.圖中顯示凹坑最外層紋路的形狀不規(guī)則,隨著向內(nèi)部的延伸,紋路形狀越來(lái)越規(guī)則,從橢圓漸變?yōu)榻茍A形.凹坑(a1)~(c1)可見的紋路個(gè)數(shù)分別為6個(gè)、7個(gè)、9個(gè),并不是激光脈沖個(gè)數(shù)10個(gè),這是因?yàn)椋?)部分凹坑底部視野模糊,無(wú)法觀測(cè)清楚;2)鐵片熔融物分子內(nèi)能高,熔融物在剝蝕過(guò)程中由聚焦點(diǎn)向四周移動(dòng),其溫度在遠(yuǎn)離激光加熱區(qū)域過(guò)程中不斷降低,最后冷卻并堆積在凹坑邊緣,冷卻物會(huì)覆蓋部分紋路;3)激光脈寬較短時(shí),激光功率密度高,激光與鐵片反應(yīng)過(guò)程更加劇烈,熔融物能夠較迅速地噴射出去,使剝蝕紋路充分暴露,能觀察到的紋路相對(duì)多.凹坑(a1)~(c1)底部分布有顆粒狀固體,直徑約10μm,這是熔融的鐵冷卻后形成,凹坑(c1)的內(nèi)壁也粘附有顆粒,但直徑較大,約30μm.此外,凹坑(a1)和(b1)內(nèi)壁有裂痕,裂痕從凹坑表面延伸至凹坑底部,而且(a1)中的裂痕數(shù)目更多,說(shuō)明長(zhǎng)脈寬脈沖激光對(duì)凹坑內(nèi)部有附帶機(jī)械性損傷,實(shí)際運(yùn)用時(shí)應(yīng)選擇短脈寬的激光,實(shí)現(xiàn)深徑比(凹坑深度與表面直徑比值)大、無(wú)明顯熱損傷或機(jī)械性損傷、凹坑表面光滑且無(wú)剝蝕物沉積的高品質(zhì)固體靶材微孔加工.

3結(jié)束語(yǔ)

為了提高光電子科學(xué)與技術(shù)及光信息處理專業(yè)學(xué)生的激光技術(shù)水平,將激光原理與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,并在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了聚焦激光剝蝕鐵靶的實(shí)驗(yàn),采用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)試了激光的能量、脈沖寬度及工作頻率參量.該實(shí)驗(yàn)用在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中時(shí),學(xué)生首次見到了書本上描述的激光器,體驗(yàn)了測(cè)試激光參量的流程,在教學(xué)上有助于學(xué)生加深對(duì)激光理論的理解,促進(jìn)理論與實(shí)驗(yàn)的完美結(jié)合.本實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中學(xué)生將分析激光聚焦過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn),在總結(jié)失敗經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上順利完成激光的聚焦,間接提高學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力,促進(jìn)了學(xué)生不同程度創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

作者:呂濤 陳昉 單位:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)數(shù)理學(xué)院

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