激光致等离子体冲击波对小孔内物质迁移的作用机理(2)
参考文献26
1 引言
1.1 研究背景
激光是20世纪以来人类的又一重大发明，被誉为“最快的刀”[1]。它的发现使得光学领域获得又一个春天，同时，激光诊断学、激光武器、激光通信学、激光光谱等也因此得以进一步的开拓了激光在医疗、军事、通信和工业等领域的应用。更重要的是，激光由于其定向，单频，高能等特性，使得一大批的传统行业有了革命性的变化。例如，激光打印机、激光切割、激光美容、激光脉冲打孔、激光雷达、舞台灯光、激光计量检测、激光分离同位素等。如今，激光的研究在各国都得到了极大的重视，其发展速度也非常快，对于激光相关的开发与应用也会很快的给社会带来巨大的效益。
激光技术的应用方式主要有两种，一是利用激光的高能量，二是利用激光可作用信息载体的特性[2]。而激光加工技术在材料表面的作用则利用了激光的高能特性，当激光作用到材料上时，这种高能量会在很短的时间内聚集到表面很薄的一层材料中，同时迅速发生加热、熔化和蒸发等过程，最后材料冷却凝结[3]。目前，各种材料加工技术层见迭出，而材料激光加工技术凭借其独特的加工特点仍然具有很大的潜力和优势。而激光按照工作方式的不同可以划分为两种，即连续激光和脉冲激光[4]。连续激光在若干年的发展中已经较为成熟，目前已经实现了产业化并且得到了广泛的应用。而脉冲激光由于其输出不连续，功率较高，在精细加工，精密实验测量等领域尤其独有的价值[5,6]。脉冲激光的出现，也使得金属材料加工技术又取得了一项重大的突破。
激光在加工和制造业等领域的应用日渐广泛。以打孔为例，喷嘴、过滤器和涡轮机叶片上的冷却孔的孔直径通常在百微米量级，采用传统工艺打孔困难并且成本较高，激光打孔具有非接触、高效等特点,可以获得大深径比的孔，因而是一种有发展前景的加工方法。
1.2 毫秒激光打孔与纳秒激光加工
1.2.1 毫秒激光打孔过程
研究表明，毫秒激光打孔总共分为以下四个过程[3]：
（a） 表面蒸发：激光开始作用于材料表面时，材料表面受损较少，没有裂纹生成，说明该阶段材料消除的模式以蒸发为主。这种现象也适用于激光对材料表面的抛光处理。
（b） 表面凹陷：在这个过程，表面材料明显凹陷，该阶段表面蒸发加剧，使得表面的气压增大，继而蒸汽的反冲压力使材料表面形成凹坑而塌陷。
（c） 气体积聚：在这个过程，材料的损失越发厉害，开始出现裂痕，材料的熔化现象加剧，而激光中心的材料区域向上微微凸起，说明该阶段材料表面的下层发生了气体积聚。
（d） 形成小孔：在这个过程，激光烧灼的材料中心地带形成了深孔，小孔周围开始出现粒化的材料飞溅物体，说明在上一个过程的气体积聚情况愈发严重，随之气压不断加大，熔化的材料在积蓄已久的能量中喷薄而出，类似炸药一样喷发出去，并向下冲击最后形成了小孔。