PMP泡沫的飞秒激光烧蚀及切割方法.pdfVIP

第 25卷第 1O期 强 激 光 与 粒 子 束 Vo1．25，NO．10 2013年 1O月 HIGH POW ER LASER AND PARTICLE BEAMS Oct．。2O13 文章编号 ： 1001—4322(2013)10—2587—05 PMP泡沫的飞秒激光烧蚀及切割方法 宋成伟， 李 国，黄燕华，杜 凯，杨 亮 (中国工程物理研究 院 激光聚变研究 中心 ，四川 绵阳 621900) 摘 要 ： 对密度为 90mg／cm。的 PMP泡沫材料 的飞秒激光烧蚀结果进行了分析 ，推导 出该材料在脉 宽 5Ofs、波长 800am、重复频率为 1000Hz的飞秒激光作用下的蚀除阈值为 0．91J／cm (100个激光脉冲)，获得 了烧蚀直径分别随激光功率、脉冲数及聚焦物镜数值孔径 的变化规律 。相 同飞秒激光加工系统下，对 比了铜箔 上获得的烧蚀形状 ，确定了PMP泡沫材料本身的多孑L洞及其分布不均匀是造成烧蚀 区域 的形状不规则的重 要因素 。PMP泡沫在较高能量或是较长时间的飞秒激光作用下，烧蚀 区域发生碳化 的原因是 由热作用引发 的。提出了一种基于激光束耦合 的飞秒激光切割厚度大于 1mm 的薄膜一泡沫材料 的方法 ，并获得 了切割厚度 大于 1．5mm、切割侧壁与光束光轴夹角小于 5。、切割面整洁的薄片。 关键词 ： 飞秒激光 ； PMP泡沫 ； 烧蚀 ； 切割 中图分类号 ： TN249 文献标志码 ： A doi：10．3788／HPLP2587 低密度聚合物泡沫在激光冲击波 ]、激光一等离子体作用 ]、惯性聚变能科学 (IFE)_4和反应堆技术 研 究等方面具有广泛的应用 。聚一4一甲基一1一戊烯 (PMP)泡沫 由于强度较高 ，较易成型，最低密度可达 3～5in／ cm 。 ，且为纯 CH材料 ，因此现已成为 目前 国际上惯性约束聚变 (ICF)实验研究中应用最多的超低密度多孔材 料之一l6J。应用于 ICF实验的泡沫靶元件形状取决于实验类型 ，一般是膜 、圆柱 的、球形 的或是更复杂 的，尺 寸从几 cm到几百 m。成形方法有两种 ：一种是加工成形 ，另一种是浇铸成形 。加工成形受泡沫密度的制约 ， 密度越小 ，机械强度越低 ，反之亦然 。超低密度 (20mg／cm。)泡沫在机床刀具的作用下会坍塌 ，因此不能用 机械方法加工 。文献[7]报道了TPX泡沫机械加工和激光加工的结果 ：密度较大的泡沫可用机械加工方法无 破损地成形 ，但加工后的材料密度要大于加工前的，且泡沫密度越小 ，加工前后的密度变化幅度越大 ；准分子激 光加工TPX泡沫时，会在其烧蚀 区域形成一层较致密、无孑L的重铸层 ；飞秒激光加工的TPX泡沫圆柱 圆度好、 边缘一致 、无熔化 ，几乎没有损伤 ，与准分子激光加工结果相 比，加工后的密度更接近加工前的密度。国内巫殷 忠等人_8利用飞秒激光切割掺溴 PS薄膜一PMP泡沫复合样品，获得 了整齐的切割边缘和较平坦 的切割面。由 此可见 ，利用飞秒激光加工泡沫材料更可靠 ，精度更高。但是，有关飞秒激光与低密度泡沫相互作用的基础研 究却鲜见报道 。本文对 PMP泡沫在不同飞秒激光功率密度下的烧蚀特性进行了研究，对烧蚀孔径与激光功 率 、脉冲数及焦点大小之间的关系进行 了分析 ，获得 了蚀 除阈值 。通过对结果的分析 ，提 出了一种切割厚度大 于 1mm 泡沫材料的新工艺 。 1 阈值模型 飞秒激光具有很高的峰值功率和光强 ，与材料相互作用时往往诱发如多光子效应 、自聚焦现象、雪崩 电离 等非线性现象。对飞秒激光与材料相互作用机理的研究，目前还处于探索阶段 。人们根据现有的实验现象和 模拟结果 ，对不同材料提出了不同的解释模型，如双温模型、微爆炸模型、库仑爆炸模型和阈值模型等。总的来 说 ，各种材料 的烧蚀过程基本都与阈值模型吻合 。 阈值模型认为材料在飞秒激光作用下存在一个蚀除阈值 ，在聚焦光斑内只有光强超过蚀除阈值 的区域才 能对材料表面产生不可逆的损伤 ，实现材料的去除。如图1所示 。根据上述关系，对于用空问强度高斯型分布 的激光束进行蚀除，可 以得到一个简单的烧蚀直径 D和材料蚀除阈值 ¨高斯光束