激光加工中國(guó)激光網(wǎng)

   在實(shí)際的加工應(yīng)用中，電離的產(chǎn)生會(huì)被很多商家考慮，在判定是否影響激光切割機(jī)正常加工產(chǎn)生的效果，是否激光設(shè)備不能夠加工此材料，經(jīng)過(guò)分析激光的強(qiáng)度往往要調(diào)節(jié)至略高于材料的損傷閾值。為了考慮超臨界等離子體加熱，需要建立一個(gè)完整的輻射流體動(dòng)力學(xué)模型，其中應(yīng)該考慮激光切割機(jī)的等離子體形成、多次電離、材料狀態(tài)方程、沖擊波產(chǎn)生與輻射冷卻、傳導(dǎo)和等離子體膨脹。現(xiàn)在已有一維的歐拉一拉格朗日程序能夠進(jìn)行這方面的計(jì)算。例如，用強(qiáng)度為I=5×l0\14W/cm2、脈寬為500fs、波長(zhǎng)為1053nm的激光輻照熔融石英，該程序計(jì)算出來(lái)的壓力和溫度見(jiàn)在zui大輻照強(qiáng)度處（t=1ps），通過(guò)吸收激光的能量可將材料趨膚層加熱到約12 5eVo因此，激光到達(dá)材料表面后，在脈沖期間激光將能量沉積到趨膚層并開(kāi)始產(chǎn)生電離。在接下來(lái)的幾個(gè)皮秒內(nèi)，沉積的能量一方面以沖擊波和電子傳導(dǎo)的形式耗散；另一方面，zui初的等離子體通過(guò)膨脹離開(kāi)材料表面并產(chǎn)生輻射，這也要損耗能量。即使在特殊的條件下，也只有大約1m的深度能加熱到～1eV.

    等離子體前緣以2×10\7cm/s的膨脹速度噴出而離開(kāi)材料表面，這一過(guò)程接下去要持續(xù)納秒級(jí)的時(shí)間.剛開(kāi)始時(shí)，沖擊波向材料內(nèi)部發(fā)射的強(qiáng)度比較大，可達(dá)12Mbar，傳播速度可達(dá)4.8×l0\5CM/S.但能量損耗也十分快，沖擊波的壓力在開(kāi)始1UM內(nèi)很快就下降至幾十個(gè)千帕，小于材料的屈服應(yīng)力。就是說(shuō)，這種熱或沖擊影響區(qū)的線度可局限在激光輻照處不到1um的范圍，這就為我們提供了*的加工精度。
    在短脈沖激光切割機(jī)材料加工中，臨界密度等離子的形成有一個(gè)重要的效應(yīng)。臨界密度面一旦形成，光束在臨界既存在能量被吸收又要發(fā)生反射。對(duì)于大多數(shù)情況下的等離子體，由于其標(biāo)長(zhǎng)L等于或大于入射光的波長(zhǎng)，即L≥r，因此在臨界面存在很強(qiáng)的吸收。等離子體zui大標(biāo)長(zhǎng)近似為L(zhǎng)m≈vs-cp，其中離子聲速v=（zkt/mion）1/2≈1×10\6cm/s.這里，我們感興趣的脈寬是小于lOfs，所以對(duì)應(yīng)芝zui大標(biāo)長(zhǎng)Lmax≈0.1um，比入射光波長(zhǎng)小得多。即等離子體吸收一般都較弱，大部分能量在臨界面發(fā)生反射。給出了透明熔融石英面的反射率與入射激光強(qiáng)度的關(guān)系。從中還可以看到，在損傷閾值（≈10\13W/cm2）附近，臨界密度要到脈沖的后期才能形成，所以只有激光脈沖的尾部才經(jīng)歷反射然而，如果改變激光切割機(jī)中激光的強(qiáng)度使之高于材料的損傷閾值，臨界密度在脈沖的前沿就能達(dá)到，在臨界密度面將超過(guò)90%的反射率。通過(guò)對(duì)反射光波相面的測(cè)量證明，光輻照范圍的等離子體zui大標(biāo)長(zhǎng)<0.1.

    對(duì)于熔融石英材料，采用激光加工，在526nm和1053nm波長(zhǎng)、脈寬由lOfs至lOps以上的激光切割機(jī)中的激光輻照下，按照上面所描述的等離子體模型計(jì)算出來(lái)的損傷閾值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行了比較.理論上定義某點(diǎn)的損傷通量，是該點(diǎn)自由電子的密度要達(dá)到等離子體的臨界密度（≈l0\21cm-3）.中的實(shí)線是在無(wú)可調(diào)參數(shù)的情況下理論上計(jì)算的損傷通量。由于多光子電離產(chǎn)生初始電子伴隨的快速雪崩，使理論上預(yù)言的損傷閾值與發(fā)生損傷時(shí)實(shí)際存在的自由電子密度的關(guān)系不是很大。一個(gè)較低的限制條件是傳導(dǎo)電子的能量密度要等于晶格（≈l0\19cm-3）的結(jié)合能。應(yīng)用這個(gè)限制條件會(huì)使損傷閾值的理論值降低大約20%.當(dāng)脈沖寬度低于loOfs時(shí)，理論預(yù)言的損傷閾值漸漸接近于多光子電離的情況。而在長(zhǎng)脈沖范圍（z->20ps），數(shù)據(jù)擬合表明損傷閾值與脈寬的依賴關(guān)系正比于r12，因此，在脈沖期間能表現(xiàn)出電子能量轉(zhuǎn)移給晶格以及能量擴(kuò)散的特征。在自然界，損傷是一種與物質(zhì)表面熔化、沸騰相關(guān)的熱效應(yīng)。對(duì)于長(zhǎng)脈沖，在沒(méi)有嚴(yán)重的碰撞電離的情況下，則存在晶格的加熱及隨之的熱損傷。