毫秒激光致固体靶材熔融喷溅的比较实验研究

张　梁，倪晓武，陆　健

(南京理工大学 理学院，南京 210094)

引　言

激光加工具有非接触、效率高、易控制等特点[1]，因而在工业生产中有着重要的应用，已经被广泛应用到金属[2]、半导体[3]、复合材料[4]等领域。在利用脉冲激光打孔过程中，主要涉及熔融、气化以及熔融喷溅等现象[5]。在毫秒激光和金属靶材相互作用过程中，当材料表面出现气化以后，物质蒸气产生的气化压力使得熔融液体从材料表面向外喷溅[6]。2003年，HE等人[7]报道了脉宽为3ms、能量密度仅为392J/cm2的毫秒激光与304#不锈钢的相互作用，发现钢靶表面最高温度可达3052K，超过了304#不锈钢的沸点(2980K);2006年，他们继续对304#不锈钢熔融喷溅的产生条件进行研究，结果表明，当材料表面温度大于沸点约100K～200K时，将会有液态喷溅物出现[8]。SEMAK等人结合能量守恒定律，数值模拟了铁靶和铝靶的表面温度、气化速度、熔融喷溅速度等随入射激光功率密度的变化规律[9]。然而，上述熔融喷溅过程的研究均是基于毫秒激光与金属靶材的相互作用，而毫秒激光与硅靶相互作用产生的熔融喷溅的机理及其与金属靶差异尚未见报道。

作者通过阴影法研究了毫秒激光致硅靶和铝靶产生的熔融喷溅过程，得到了脉宽为1ms，能量为7.38J和16.00J的Nd3+∶YAG高斯激光与厚0.3mm硅靶和厚4.0mm铝板相互作用中产生熔融喷溅过程的阴影图。 通过序列阴影图的对比，发现毫秒激光对两种靶材均能产生气化和熔融喷溅过程，但熔喷喷溅物形态、亮度、分布区域以及熔融喷溅的角度均不相同，进而根据毫秒激光致硅靶和铝靶融熔喷溅产生的机理分析了其产生熔融喷溅现象和机理的异同。……