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[摘要]介绍长脉冲激光和短脉冲激光与固体材料相互作用时的物理模型。介绍激光作用过程中，脉宽、波长等激光参数对材料烧蚀阈值以及加工质量的影响。
[关键词]脉冲激光 激光参数 激光加工 烧蚀阈值 双温方程
中图分类号：TN2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0120115－02
一、引言
自1960年第一台激光器问世起，激光技术就变现出了其强大的生命力，发展到现在几乎渗透到自然科学的各个领域。随着激光技术的发展，激光与物质的相互作用不仅仅在纯物理研究领域里被人们普遍关注，而且在现代化生产和生活中也得到了广泛应用。激光与物质的相互作用的主要物理现象之一就是其热效应。这一过程跟多种因素有关，既与激光光源有关，又与作用材料及外部环境有关。材料本身的热耦合系数、热常数、吸收系数、反射系数等都会对作用过程产生影响；激光光源的因素主要有脉宽、能量、功率密度、激光波长、重复率、光强分布等，其中任何一种因素都会对作用过程产生重要影响。也正是激光参数的这种多样性给激光与物质相互作用这一研究领域增添了活力，进一步开拓激光的应用范围。
二、理论模型
（一）长脉冲激光与物质相互作用的理论模型
激光脉冲辐射到材料表面上，靶材就会吸收激光能量使自身温度升高，热量积累到一定程度就会对靶材造成破坏。这种热转换主要由三种方式：电子热传导、声子热传导和辐射热传导。长脉冲与物质相互作用的过程多用热传导方程来描述：
式中K为热导率，P为材料密度，C为材料比热容，T为温度，t为时间变量， 为每单位时间、单位体积传递热给固体材料的加热速率。通常的假定条件如下：
（1）被加热材料是各向同性物质；（2）材料的热物理参数与温度无关或取特定的平均值；（3）忽略热传导中的辐射和对流，只考虑材料表面的热传导。
（二）超短脉冲激光与物质相互作用模型
随着激光技术的发展，出现了飞秒激光这种超短脉冲，其作用机理与传统的连续激光和长脉冲激光加工材料的机理不同，其激光场强非常高，是一个多光子吸收过程，非线性吸收是主要过程。为了研究这种超短脉冲与材料相互作用的过程，1975年S.I.Anisimov等提出了烧蚀金属的双温模型：
上面两个方程分别代表了载流子系统和晶格系统的能量变化。X为垂直材料表面方向，
三、脉冲激光参数对作用过程的影响
（一）激光功率密度的影
激光束入射到材料表面上，靶材的温升与激光功率密度密切相关。当激光光斑半径、脉宽等参数、辐照时间相同时，材料的温升主要取决与激光功率密度。功率密度越大，材料的温升也越大越大，产生的破坏程度也越大。图1模拟了不同激光功率下光学原件表面的温升情况，从图中可以看出激光功率越高，光斑中心的温升越大，功率越低，光斑中心的温升越小。
（二）光半径的影响
当入射激光功率和入射时间相同，光斑半径越小，则光斑功率密度越大，材料的温升也越大，造成的破坏程度也就越严重。图2模拟了入射激光功率保持不变，激光照射时间一定时，光束焦半径不同对光学原件表面温升的影响。从图中可看出随着半径的变越小，光斑中心处的温升明显变大。这是因为当激光能量相同时，半径越小，功率密度就越大，材料单位面积吸收的能量就越大，因此引起的温升就越大。同时，光斑对材料的损伤阈值也有重要影响。文献[6]研究了材料相应中的光斑效应，研究表明，在均匀圆形光斑辐照靶材时，功率密度阈值随半径的增加几句减小，当半径较大时，功率密度阈值的变化趋于平缓。如图3所示。而功率阈值则与功率密度阈值相反，半径较小时几乎为一恒定值，如图4所示。
（三）入射光束光强分布的影响
在用强激光对材料进行热处理等应用时，即使用相同功率的入射光束，因其强度又不同的空间分布，也能影响光束在材料中产生的温度场的分布，从而影响加工效果。数值模拟了超高斯光束垂直在30CrMnSiA钢材表面的温度场的分布情况。光束具有相同光斑直径和功率及辐照时间。结果显示，由于光强分布不同，对应温度场的分布也有较大差异。当用超高斯光束作用在钢板上时，阶次（Ns）较小时，光斑中心温度高，光斑区温度梯度大，此时材料易发生中心穿孔；阶次（Ns）较大时，光斑中心温度下降较多，光斑区温度分布比较均匀，但与周围温度差异大，材料易因膨胀热应力而发生破坏。
（四）激光脉宽对材料烧蚀阈值的影响
激光脉宽会直接影响材料的烧蚀阈值，脉宽越窄，越容易达到烧蚀阈值，达到烧蚀阈值所需的单脉冲能量越小。当激光脉宽大于10ps时，烧蚀阈值与脉宽的关系遵循 的规律，当激光脉宽小于10ps时，烧蚀阈值同脉宽的关系不在遵循上述规则。不同的材料，脉宽和烧蚀阈值的关系又有所差别。对金属而言，脉宽越窄，烧蚀阈值受脉宽的影响越小，最后趋于一定值。对于非金属材料，烧蚀阈值随脉宽的变窄而变小。在宏观上，激光脉宽将直接影响材料加工的质量。用长脉冲加工时，由于热传导作用，激光能量会扩散到很大区域，在照射区域外侧产生熔融相，在孔的周围和表面产生再铸层；当脉宽达到飞秒量级，加工过程没有热扩散，也就不会产生热熔化、冲击波带来的负面影响，不会产生再铸层，孔的周围和表面较为光滑、整洁，加工精度明显提高。
（五）激光波长的影响
在激光加工材料的过程中，长、短脉冲的加工效果受波长的影响也不尽相同。用长脉冲激光加工时，线性吸收占主导地位，加工主要是利用材料对不同波长激光的热吸收将材料熔化完成加工过程。由于材料表面对不同波长激光的反射率、透射率、散射率以及材料对某波长激光的吸收系数不同，因此激光波长会直接影响到加工质量的好坏甚至加工过程能否进行。而超短脉冲飞秒激光由于脉宽极短，是非线性吸收和线性吸收结合的加工过程，其中非线性吸收过程占主导地位，能量迅速注入是多光子吸收过程，受材料表面的反射率、散射率影响很小。所以，飞秒激光加工可以避开上述缺点，减少了对波长的依赖性。即使是在吸收禁带内，也可以实现对透明材料的微细加工。然而，由于线性吸收过程仍旧存在，加工质量会在一定程度上受到波长的影响。尤其是热导率很高的金属材料，波长越短，线性吸收系数越大，尤其是对紫外(UV)波长要比可见光和红外区域线性吸收系数大，并且对紫外波长散射弱，所以，用波长更短的飞秒激光越容易得到小尺寸的加工，并且能提高了加工精度和加工边缘的清晰度。
四、结束语
自世界上第一台激光器问世至今，激光技术在四十几年的飞速发展在自然科学史上时及其罕见的。脉冲激光技术也随着激光技术的发展应运而生。用脉冲激光对材料进行加工处理，激光参数的选择至关重要。激光参数的选取会直接影响到加工的质量和效果。相信随着对脉冲技术进一步系统深入的研究，人们会对脉冲烧蚀机理理解的更为透彻，参数的选择将更为准确。那时，脉冲激光烧蚀技术将变的更加瑰丽多彩。
参考文献：
[1]Ov B N,Momma C,Nolte S,et al.Femtosescond,picosecond and nanosecond laser ablation of solids [J].Appl Phys A,1996,63(2):109-115.
[2]牛燕雄、张鹏、姚建铨等，强激光对星载光电探测系统的干扰与破坏研究，Acta Photonica Sineca（光子学报），2004，33（7）：793～796.
[3]何跃娟、朱日宏、沈中华等，激光作用下的铝管热参数的变化对温度场的影响Optical Technique（光学技术），2005，31(4):214～216.
[4]郑启光、辜建辉，激光与物质相互作用，华中理工大学出版社，1996.12第一版.
[5]Anisimov S I,Kapeliovich B L,et al.Electron emission from metal surfaces exposed to ultra-short laser pulses[J].Sov PhysJETP,1974,39:375～378.
[6]郭少峰、陆启生、程湘爱等，连续激光辐照下光学材料损伤阈值的光斑效应，Acta Optica Sinica（光学学报），2002，22(9):1055～1058.
[7]PARSONS-KARAVASSILIS D，JONES R，COLE M Jetal. Diodepumped all-solid-state ultrafast Cr:LiSGAF laser oscillator-amplifiersystem applied to laser ablation[J].Opt Commun，2000，175：389～396.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
[关键词]脉冲激光 激光参数 激光加工 烧蚀阈值 双温方程
中图分类号：TN2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0120115－02
一、引言
自1960年第一台激光器问世起，激光技术就变现出了其强大的生命力，发展到现在几乎渗透到自然科学的各个领域。随着激光技术的发展，激光与物质的相互作用不仅仅在纯物理研究领域里被人们普遍关注，而且在现代化生产和生活中也得到了广泛应用。激光与物质的相互作用的主要物理现象之一就是其热效应。这一过程跟多种因素有关，既与激光光源有关，又与作用材料及外部环境有关。材料本身的热耦合系数、热常数、吸收系数、反射系数等都会对作用过程产生影响；激光光源的因素主要有脉宽、能量、功率密度、激光波长、重复率、光强分布等，其中任何一种因素都会对作用过程产生重要影响。也正是激光参数的这种多样性给激光与物质相互作用这一研究领域增添了活力，进一步开拓激光的应用范围。
二、理论模型
（一）长脉冲激光与物质相互作用的理论模型
激光脉冲辐射到材料表面上，靶材就会吸收激光能量使自身温度升高，热量积累到一定程度就会对靶材造成破坏。这种热转换主要由三种方式：电子热传导、声子热传导和辐射热传导。长脉冲与物质相互作用的过程多用热传导方程来描述：
式中K为热导率，P为材料密度，C为材料比热容，T为温度，t为时间变量， 为每单位时间、单位体积传递热给固体材料的加热速率。通常的假定条件如下：
（1）被加热材料是各向同性物质；（2）材料的热物理参数与温度无关或取特定的平均值；（3）忽略热传导中的辐射和对流，只考虑材料表面的热传导。
（二）超短脉冲激光与物质相互作用模型
随着激光技术的发展，出现了飞秒激光这种超短脉冲，其作用机理与传统的连续激光和长脉冲激光加工材料的机理不同，其激光场强非常高，是一个多光子吸收过程，非线性吸收是主要过程。为了研究这种超短脉冲与材料相互作用的过程，1975年S.I.Anisimov等提出了烧蚀金属的双温模型：
上面两个方程分别代表了载流子系统和晶格系统的能量变化。X为垂直材料表面方向，
三、脉冲激光参数对作用过程的影响
（一）激光功率密度的影
激光束入射到材料表面上，靶材的温升与激光功率密度密切相关。当激光光斑半径、脉宽等参数、辐照时间相同时，材料的温升主要取决与激光功率密度。功率密度越大，材料的温升也越大越大，产生的破坏程度也越大。图1模拟了不同激光功率下光学原件表面的温升情况，从图中可以看出激光功率越高，光斑中心的温升越大，功率越低，光斑中心的温升越小。
（二）光半径的影响
当入射激光功率和入射时间相同，光斑半径越小，则光斑功率密度越大，材料的温升也越大，造成的破坏程度也就越严重。图2模拟了入射激光功率保持不变，激光照射时间一定时，光束焦半径不同对光学原件表面温升的影响。从图中可看出随着半径的变越小，光斑中心处的温升明显变大。这是因为当激光能量相同时，半径越小，功率密度就越大，材料单位面积吸收的能量就越大，因此引起的温升就越大。同时，光斑对材料的损伤阈值也有重要影响。文献[6]研究了材料相应中的光斑效应，研究表明，在均匀圆形光斑辐照靶材时，功率密度阈值随半径的增加几句减小，当半径较大时，功率密度阈值的变化趋于平缓。如图3所示。而功率阈值则与功率密度阈值相反，半径较小时几乎为一恒定值，如图4所示。
（三）入射光束光强分布的影响
在用强激光对材料进行热处理等应用时，即使用相同功率的入射光束，因其强度又不同的空间分布，也能影响光束在材料中产生的温度场的分布，从而影响加工效果。数值模拟了超高斯光束垂直在30CrMnSiA钢材表面的温度场的分布情况。光束具有相同光斑直径和功率及辐照时间。结果显示，由于光强分布不同，对应温度场的分布也有较大差异。当用超高斯光束作用在钢板上时，阶次（Ns）较小时，光斑中心温度高，光斑区温度梯度大，此时材料易发生中心穿孔；阶次（Ns）较大时，光斑中心温度下降较多，光斑区温度分布比较均匀，但与周围温度差异大，材料易因膨胀热应力而发生破坏。
（四）激光脉宽对材料烧蚀阈值的影响
激光脉宽会直接影响材料的烧蚀阈值，脉宽越窄，越容易达到烧蚀阈值，达到烧蚀阈值所需的单脉冲能量越小。当激光脉宽大于10ps时，烧蚀阈值与脉宽的关系遵循 的规律，当激光脉宽小于10ps时，烧蚀阈值同脉宽的关系不在遵循上述规则。不同的材料，脉宽和烧蚀阈值的关系又有所差别。对金属而言，脉宽越窄，烧蚀阈值受脉宽的影响越小，最后趋于一定值。对于非金属材料，烧蚀阈值随脉宽的变窄而变小。在宏观上，激光脉宽将直接影响材料加工的质量。用长脉冲加工时，由于热传导作用，激光能量会扩散到很大区域，在照射区域外侧产生熔融相，在孔的周围和表面产生再铸层；当脉宽达到飞秒量级，加工过程没有热扩散，也就不会产生热熔化、冲击波带来的负面影响，不会产生再铸层，孔的周围和表面较为光滑、整洁，加工精度明显提高。
（五）激光波长的影响
在激光加工材料的过程中，长、短脉冲的加工效果受波长的影响也不尽相同。用长脉冲激光加工时，线性吸收占主导地位，加工主要是利用材料对不同波长激光的热吸收将材料熔化完成加工过程。由于材料表面对不同波长激光的反射率、透射率、散射率以及材料对某波长激光的吸收系数不同，因此激光波长会直接影响到加工质量的好坏甚至加工过程能否进行。而超短脉冲飞秒激光由于脉宽极短，是非线性吸收和线性吸收结合的加工过程，其中非线性吸收过程占主导地位，能量迅速注入是多光子吸收过程，受材料表面的反射率、散射率影响很小。所以，飞秒激光加工可以避开上述缺点，减少了对波长的依赖性。即使是在吸收禁带内，也可以实现对透明材料的微细加工。然而，由于线性吸收过程仍旧存在，加工质量会在一定程度上受到波长的影响。尤其是热导率很高的金属材料，波长越短，线性吸收系数越大，尤其是对紫外(UV)波长要比可见光和红外区域线性吸收系数大，并且对紫外波长散射弱，所以，用波长更短的飞秒激光越容易得到小尺寸的加工，并且能提高了加工精度和加工边缘的清晰度。
四、结束语
自世界上第一台激光器问世至今，激光技术在四十几年的飞速发展在自然科学史上时及其罕见的。脉冲激光技术也随着激光技术的发展应运而生。用脉冲激光对材料进行加工处理，激光参数的选择至关重要。激光参数的选取会直接影响到加工的质量和效果。相信随着对脉冲技术进一步系统深入的研究，人们会对脉冲烧蚀机理理解的更为透彻，参数的选择将更为准确。那时，脉冲激光烧蚀技术将变的更加瑰丽多彩。
参考文献：
[1]Ov B N,Momma C,Nolte S,et al.Femtosescond,picosecond and nanosecond laser ablation of solids [J].Appl Phys A,1996,63(2):109-115.
[2]牛燕雄、张鹏、姚建铨等，强激光对星载光电探测系统的干扰与破坏研究，Acta Photonica Sineca（光子学报），2004，33（7）：793～796.
[3]何跃娟、朱日宏、沈中华等，激光作用下的铝管热参数的变化对温度场的影响Optical Technique（光学技术），2005，31(4):214～216.
[4]郑启光、辜建辉，激光与物质相互作用，华中理工大学出版社，1996.12第一版.
[5]Anisimov S I,Kapeliovich B L,et al.Electron emission from metal surfaces exposed to ultra-short laser pulses[J].Sov PhysJETP,1974,39:375～378.
[6]郭少峰、陆启生、程湘爱等，连续激光辐照下光学材料损伤阈值的光斑效应，Acta Optica Sinica（光学学报），2002，22(9):1055～1058.
[7]PARSONS-KARAVASSILIS D，JONES R，COLE M Jetal. Diodepumped all-solid-state ultrafast Cr:LiSGAF laser oscillator-amplifiersystem applied to laser ablation[J].Opt Commun，2000，175：389～396.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”