激光加工中国激光网

   在实际的加工应用中，电离的产生会被很多商家考虑，在判定是否影响激光切割机正常加工产生的效果，是否激光设备不能够加工此材料，经过分析激光的强度往往要调节至略高于材料的损伤阈值。为了考虑超临界等离子体加热，需要建立一个完整的辐射流体动力学模型，其中应该考虑激光切割机的等离子体形成、多次电离、材料状态方程、冲击波产生与辐射冷却、传导和等离子体膨胀。现在已有一维的欧拉一拉格朗日程序能够进行这方面的计算。例如，用强度为I=5×l0\14W/cm2、脉宽为500fs、波长为1053nm的激光辐照熔融石英，该程序计算出来的压力和温度见在zui大辐照强度处（t=1ps），通过吸收激光的能量可将材料趋肤层加热到约12 5eVo因此，激光到达材料表面后，在脉冲期间激光将能量沉积到趋肤层并开始产生电离。在接下来的几个皮秒内，沉积的能量一方面以冲击波和电子传导的形式耗散；另一方面，zui初的等离子体通过膨胀离开材料表面并产生辐射，这也要损耗能量。即使在特殊的条件下，也只有大约1m的深度能加热到～1eV.

    等离子体前缘以2×10\7cm/s的膨胀速度喷出而离开材料表面，这一过程接下去要持续纳秒级的时间.刚开始时，冲击波向材料内部发射的强度比较大，可达12Mbar，传播速度可达4.8×l0\5CM/S.但能量损耗也十分快，冲击波的压力在开始1UM内很快就下降至几十个千帕，小于材料的屈服应力。就是说，这种热或冲击影响区的线度可局限在激光辐照处不到1um的范围，这就为我们提供了*的加工精度。
    在短脉冲激光切割机材料加工中，临界密度等离子的形成有一个重要的效应。临界密度面一旦形成，光束在临界既存在能量被吸收又要发生反射。对于大多数情况下的等离子体，由于其标长L等于或大于入射光的波长，即L≥r，因此在临界面存在很强的吸收。等离子体zui大标长近似为Lm≈vs-cp，其中离子声速v=（zkt/mion）1/2≈1×10\6cm/s.这里，我们感兴趣的脉宽是小于lOfs，所以对应芝zui大标长Lmax≈0.1um，比入射光波长小得多。即等离子体吸收一般都较弱，大部分能量在临界面发生反射。给出了透明熔融石英面的反射率与入射激光强度的关系。从中还可以看到，在损伤阈值（≈10\13W/cm2）附近，临界密度要到脉冲的后期才能形成，所以只有激光脉冲的尾部才经历反射然而，如果改变激光切割机中激光的强度使之高于材料的损伤阈值，临界密度在脉冲的前沿就能达到，在临界密度面将超过90%的反射率。通过对反射光波相面的测量证明，光辐照范围的等离子体zui大标长<0.1.

    对于熔融石英材料，采用激光加工，在526nm和1053nm波长、脉宽由lOfs至lOps以上的激光切割机中的激光辐照下，按照上面所描述的等离子体模型计算出来的损伤阈值与实验测量值进行了比较.理论上定义某点的损伤通量，是该点自由电子的密度要达到等离子体的临界密度（≈l0\21cm-3）.中的实线是在无可调参数的情况下理论上计算的损伤通量。由于多光子电离产生初始电子伴随的快速雪崩，使理论上预言的损伤阈值与发生损伤时实际存在的自由电子密度的关系不是很大。一个较低的限制条件是传导电子的能量密度要等于晶格（≈l0\19cm-3）的结合能。应用这个限制条件会使损伤阈值的理论值降低大约20%.当脉冲宽度低于loOfs时，理论预言的损伤阈值渐渐接近于多光子电离的情况。而在长脉冲范围（z->20ps），数据拟合表明损伤阈值与脉宽的依赖关系正比于r12，因此，在脉冲期间能表现出电子能量转移给晶格以及能量扩散的特征。在自然界，损伤是一种与物质表面熔化、沸腾相关的热效应。对于长脉冲，在没有严重的碰撞电离的情况下，则存在晶格的加热及随之的热损伤。