金属铝靶在纳秒脉冲激光与连续激光组合辐照下的温度特性研究

巫晓莉

（中国空间技术研究院， 北京 100094）

0 引言

激光辐照靶材（如金属铝）表面时，部分激光能量被反射，其余激光能量透过靶材并被靶材所吸收。吸收的激光能量在靶材内部沉积并加热靶材， 使靶材的温度逐渐升高，随着吸收能量的增加导致靶材的熔融和气化，这种伴随有烧蚀物质发生迁移的过程称为激光烧蚀。

当激光辐照靶材时，随着靶材深度的增加，吸收的激光能量在靶内部传播过程中持续减弱， 能量强度按照指数规律衰减， 国内外学者一般采用Beer-Lambert 定律[1]描述激光热源在靶材内部的衰减过程。 对于金属烧蚀来说，由于靶材的特征吸收深度远小于激光光斑大小，所以垂直于靶材表面方向的温度梯度比平行于靶表面方向的温度梯度大几个数量级， 因此很多学者建立了沿激光入射方向的一维热传导模型来分析激光对金属靶材的加热过程[2，3]。 宏观上，激光对靶材的加热模型可以忽略微观上光子、 电子与晶格声子的相互作用， 最终导致温度的升高。 这个过程可以根据能量守恒定律和经典傅立叶定理推导[4]。

在金属靶材烧蚀实验方面，文献[5]研究了用不同脉冲长度（微秒，纳秒，皮秒和飞秒）的激光烧蚀同一种金属物质的烧蚀质量。 实验结果表明，随着脉冲长度的减小，烧蚀在工质上所形成的的烧蚀空洞的形状越来越整齐。这主要是因为热传导效应随着脉冲长度的减小而减弱。因此，同样激光能量下，短脉冲激光烧蚀质量最大。 通常情况下，纳秒级脉宽激光峰值功率较高，如YAG 激光器，可以烧蚀金属等材料。 毫秒级脉宽激光功率较低，如半导体激光器，也正因为激光器功率低，所以采用较长的脉宽来实现能量的沉积， 而这种入射激光特性就决定了被烧蚀工质靶材只能是导热率较低的非金属材料[6，7]。

本文针对金属铝靶材激光辐照加热这一问题， 开展纳秒脉冲激光与连续激光组合对靶材辐照下的温度特性研究， 通过仿真计算分析温度这一关键参数在组合激光烧蚀下的变化规律， 为靶材高效烧蚀下的激光参数优化奠定基础。

1 物理模型

在激光烧蚀过程中，靶物质存在固、液两种状态。 因此，所采用的模型应包含相变过程，以温度的形式来表示热扩散方程[8-11]，如式（1）所示。

式中，ρ—靶材密度；h—焓；κ—热导；cp—比热容；α—靶材对激光的吸收系数；Ilaser（t）—激光在靶表面处的功率密度；R—靶材表面的反射率。

2 仿真研究

2.1 纳秒激光烧蚀铝靶温度特性

以高斯形式表示能量随时间变化情况， 具体如图1所示， 设定激光峰值功率密度为108W/cm2， 全脉宽为60ns，半高宽为20ns。 计算2μs 时间内的温度变化。

通过仿真计算发现， 靶表面温度在2μs 时间内的变化趋势为先急剧增大，然后迅速降低，在0.5μs时刻以后， 靶面温度变化平缓， 靶面最大温度可以达到5500K以上，见图2。

仿真结果表明，在纳秒脉冲激光辐照下，靶表面温度变化情况与激光光源能量变化相似，存在峰值。

图1 纳秒脉冲激光能量密度随时间变化情况

图2 纳秒脉冲激光辐照下铝靶表面温度变化

2.2 连续激光烧蚀铝靶温度特性

研究连续激光对铝靶的烧蚀特性时，为与纳秒激光辐照有一定的对比性， 在设定激光连续作用时间为2μs 条件下，由于纳秒高斯光束作用的总激光能量密度为2.5J/cm2，因此， 这里设定连续激光功率密度为1.25×106W/cm2，从而保证纳秒脉冲激光与连续激光的能量密度保持一致。 连续激光能量密度随时间变化如图3 所示。

通过仿真计算发现， 连续激光辐照下铝靶的表面温度随时间逐渐增大， 变化趋势缓慢， 表面最大温度在1000K。 尽管与纳秒脉冲激光作用的能量密度相同，但表面温度差异较大，见图4。

图3 连续激光能量密度随时间变化情况

图4 连续激光辐照下铝靶表面温度变化

2.3 组合激光烧蚀铝靶温度特性

当脉冲激光与连续激光共同作用时，在2μs 时间内，连续激光持续作用， 但脉冲激光作用开始时刻却有多种选择。 这里我们仿真脉冲激光从0 时刻、0.4μs 时刻、1.0μs 时刻、1.5μs 时刻开始作用下的四种情况靶面温度变化情况。 仿真使用的其它设定参数，如功率密度等，均与上述条件一致。

由图5～8 可以看出，在组合激光作用下，尽管脉冲激光开始作用时刻不同，但靶表面温度变化趋势基本一致。在脉冲激光未作用前，由于连续激光一直辐照，导致靶面温度缓慢上升，随着脉冲激光开始作用，靶面温度急剧增加，最高超过6000K，在脉冲激光停止作用后，靶面温度开始迅速回落。但由于连续激光还在继续辐照，因此最终靶面温度超过1500K。

为进一步研究组合激光辐照下的靶内部温度特性，以1.0μs 时刻脉冲激光开始作用为例， 研究不同靶深度处温度随时间变化情况，如图9 所示。

由图9 可以看出， 靶材表面、5μm、10μm、15μm 以及20μm 处的温度变化趋势逐渐变缓。 在20μm 深度方向上，靶内部温度基本不变，说明对于金属铝靶而言，激光烧蚀仅发生在表面极薄的一层。

图5 0 时刻脉冲激光开始作用下组合激光辐照铝靶表面温度

图6 0.4μs 时刻脉冲激光开始作用下组合激光辐照铝靶表面温度

图7 1.0μs 时刻脉冲激光开始作用下组合激光辐照铝靶表面温度

图8 1.5μs 时刻脉冲激光开始作用下组合激光辐照铝靶表面温度

图9 1.0μs 时刻脉冲激光开始作用下组合激光辐照铝靶不同深度温度变化情况

3 结论

通过建立激光烧蚀铝靶材料物理模型， 仿真研究了纳秒脉冲激光与连续激光组合作用下的铝靶温度变化特性。 仿真研究表面，在脉冲激光作用下，靶面温度急剧增大，温度急剧增大时刻与脉冲激光开始时刻一致，随着脉冲激光作用结束， 温度开始急剧下降。 在组合激光烧蚀下，金属铝靶温度显著变化仅发生在表面微米级厚度内。