【摘 要】简要评述了激光烧蚀金属过程中的等离子体羽、烧蚀材料蒸汽、温度场方面的实验和理论模型研究进展。报道了激光能量密度（或者功率密度）、脉宽等参数对等离子体、烧蚀蒸汽动力学过程影响的实验和理论结果。
【关键词】脉冲激光；金属烧蚀；等离子体；温度；物理模型
Research Progress Dynamics of Metal Ablation under Pulse Laser
CHENG He-ping1,2 XU Yuan1 WEI Rong-hui3 ZHENG Li1 XIE Guo-qiu1
（1.School of Information and Engineering, Huangshan University,Huangshan Anhui，245041,China;
2.Henan Key Laboratory of Advanced Non-ferrous Metals,Henan University of Science and Technology,
Luoyang Henan,471003,China;3.School of Physics and Engineering, Henan University of Science and Technology,
Luoyang Henan,471003,China）
【Abstract】The progress of experiments and models about plasma plume, vapor and temperature field of metal ablation under pulse laser were reviewed. The theoretical and experimental results of dynamics of plasma and metallic vapor induced by pulse laser with different parameters such as fluence (or power density), pulse width etc. were reported.
【Key words】Pulse ｌaser;Metal ａblation;Plasma;Temperature;Models
０ 引言
激光自發明以来的半个世纪左右时间里，在功率、能量、脉宽等参数品质上都有快速提高，现在已经开发出品种繁复的各类型激光器广泛用于科学研究、工业加工、医学治疗等领域。在工业上，激光对金属的加工、改性、表面处理、镀膜等运用十分广泛，然而激光对金属作用是非常复杂的一个过程，激光对材料表面的作用效果和激光的脉冲时间尺度、功率密度、频率和材料特性以及环境因素等有密切关系。如果激光功率密度较低（<10MW/cm2），脉冲激光能量不足以引起金属材料表面液化和汽化等相变，那么就只能在材料表面引起温度变化和力学性质变化。当激光功率密度较高（≥10MW/cm2），受照金属表面温度升高超过汽化温度时，金属表面发生汽化现象，并有物质喷溅而出，喷溅之后靶面和喷射物质继续吸收激光能量，导致喷溅物质进一步发生电离，最后形成等离子体，如果激光功率密度进一步提高，激光可直接在金属表面激发等离子体，这种高能激光辐照金属表面产生的质量迁移现象称之为激光烧蚀。在烧蚀过程中涉及到温度场的变化、金属的力学性质的变化以及喷溅蒸汽、等离子体、冲击波等动力学过程相互耦合，比简单的激光热效应更为复杂，吸引不少学者对这类问题深入研究。
１ 激光烧蚀金属的实验研究
1966年，W. Walter[1]，E. Bernal[2]，Yu. Afanasyev[3]等人同时发表一系列激光和金属相互的作用的论文，分别阐述了高能激光和金属相互作用时原子蒸汽喷发、离子发射等气体动力学现象，使得人们对激光烧蚀的动力学问题研究开始成为热点。到上世纪90年代以来，随着短脉冲（微秒、纳秒量级）高能激光和超短脉冲（飞秒、皮秒量级）高能激光技术以及诊断技术逐渐成熟，短脉冲、超短超强激光与物质的相互作用研究成为可能。短脉冲激光在烧蚀金属靶面时，由于加热时间较长，激光能量主要被金属靶面吸收形成高温温度场，依赖这个温度场，才能形成靶材的熔化、汽化和等离子体的形成；超短脉宽激光烧蚀金属靶面时，由于能量注入时间极短，激光能量是以非线性多光子吸收为主，电子吸收能量后不能及时传递给晶格，因此电子和晶格温度场不一致。同时激光能量在辐照区域内来不及扩散，集中在辐照区域表面的薄层中，快速加热材料薄层内的电子形成极高的温度，引起相爆炸，即材料蒸汽和小颗粒冲出形成冲击波，其后才有离子以极高的速度喷出，在烧蚀靶面内形成超热流体；如图1所示，Karl-Heinz Leitza等人[4]给出了两种烧蚀情况图解说明。由于在金属表面很小的范围内上升到极高的温度，可以将超快超强激光烧蚀用于等离子体点火，因此激光烧蚀技术的研究得到了相当重视。
图1 a)为短秒冲激光烧蚀的过程；
b)为超快激光烧蚀的过程，来源自参考文献[4]
S. Fahler等人[5]用激光（248nm，30ns）辐照纯铁靶面，他们发现：靶面烧蚀深度和激光的能量密度（<20J/cm2）以及靶面喷溅出铁离子动能和激光的能量密度都呈线性关系；测定的不同激光能量密度下的时间飞行谱满足麦克斯韦-玻尔兹曼分布。S. Amoruso等人[6]用测定了高能激光的二次谐波（532nm，6ns）和三次谐波（355nm，6ns）烧蚀铝金属靶面喷射出来的等离子体中正离子的飞行时间谱，发现实验数据非常符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布。J. Maul等人[7]用紫外高能激光烧蚀金属钆（Gd）靶面用于研究烧蚀喷射出的原子的速度分布等问题。他们实验发现在中性原子的低速分布部分是符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布的，在高速部分则不符合，他们分析认为实验测定的中性原子的速度分布是由热分布和中性原子激发出来的冲击波分布两者共同造成的，即为两种速度分布的合成才是实验测定的结果。