毫秒激光打孔过程中熔融喷溅物的温度分析(2)
致谢 22
参考文献 23
1 引言
1.1 激光
1916年，美国的著名物理学家爱因斯坦最早发现了激光的原理，但由于各方面原因，直到1960年，激光才第一次被人们制造出来。激光以其极好的单色性、相干性和方向性等优势，因而被广泛应用于材料加工方面。
电子可以通过吸收或释放能量的方式在能级之间跃迁，电子的跃迁又可分为自发吸收、自发辐射、受激辐射三种形式。受激吸收是电子通过吸收光子从低能级跃迁到高能级的过程，自发辐射是电子通过释放光子自发地从高能级跃迁到低能级的过程，处于高能级的原子在受到光子的激励时，会跃迁到低能级，并辐射出与入射光子相同频率光子，这个过程称为受激辐射。激光主要是通过受激辐射产生的，激光的产生必须要有合适的工作物质，有能够使工作物质发生粒子束反转的激励源，还要有光学谐振腔使辐射的强度放大。
1.2 激光打孔
激光打孔是利用具有非常高的能量的激光束照射在工件上，材料吸收激光能量，使局部温度瞬间升高，致使照射区材料熔化并大量汽化蒸发，形成高速气流向外剧烈喷射，这样就在照射点形成了一个凹坑[1]。在激光打孔过程，孔形成的主要因素是被加工材料的熔化和汽化，而孔深度的增大主要是由材料的蒸发引起的，孔直径的增大的主要原因是孔壁上材料的熔化以及孔内蒸汽压的作用力使熔化之后的物质向外喷溅[2]。激光打孔的质量会受到多方面因素的影响，比如激光的脉冲能量、脉冲宽度、脉冲波形、以及发散角等。离焦量即激光束焦点与材料表面的距离也会对激光打孔产生一定影响。与传统打孔工艺相比，激光打孔的优势在于打孔速度更快，效率更高，经济效益好，而且适用范围更广，几乎能应用于各种材料。激光打孔能避免很多传统机械打孔所无法避免的缺陷，故而显得非常重要[3]。
1.3 激光打孔的实验研究
江南大学的钱俊等人采用半导体端面泵浦声光调Q激光器在硅片上进行打孔实验研究了激光功率、离焦量以及脉冲频率等因素对打出的孔形貌的影响。实验结果表明，当激光器的脉冲频率固定时，随着激光功率的增大，激光脉冲能量增大，孔径也增大，且出孔孔径的增大速度比入孔孔径的增大速度要稍微快一些。离焦量对孔的出孔直径有较大的影响，可以通过改变离焦量来改变出孔直径的大小，当功率最大时并不能获得最大的孔径 [4]。
南京理工大学的秦渊等人采用1毫秒脉宽的Nd：YAG高斯激光在金属铝材料上打孔的实验研究分析了毫秒脉冲激光单个脉冲打深孔时的成形过程和打孔速率[5]。从实验和计算结果看来，在激光能量较小时计算结果与实验结果相一致，孔成锥形，当激光能量越大时，孔径和孔深也越大，而且孔径的增加相比于孔深的增加速度更快。激光束的半径对孔的尺寸也会有影响，表现为光束半径越大，孔的半径也越大。实验还研究了在长脉冲激光的作用下，将铝、铜、银和钛这4种金属上的打孔速率进行了对比,比较结果显示出钛对激光的具有最强的吸收率，最弱的热传导能力,因而打孔速率最大，铝次之，最后依次是银和铜。
南京理工大学的戴罡等人使用长脉冲激光在石英玻璃上打孔的方法，进行了玻璃上的高效快速打孔的研究。由于玻璃对1064nm激光的吸收系数极小， 激光[6-7]和准分子激光[8-9]比Nd：YAG激光更适合于对玻璃的加工。为了增大石英玻璃对1064nm激光吸收率以方便研究，实验中在玻璃表面镀制了ZrO2层。实验研究指出:当能量密度为6.8kJ/cm2时,打孔效率最高，而随着能量密度的增大在玻璃表面形成的物质蒸汽会降低打孔效率，而且温度越高，玻璃对激光的吸收系数越大 [10]。