·激光应用技术·
靶面激光光斑尺寸原位测量的研究
王岳亮,邓朝阳,苏一凡,李福海,陈兴驰,赵国瑞,董东东,马文有,刘 敏
(广东省新材料研究所 广东省现代表面工程技术重点实验室 现代材料表面工程技术国家工程实验室,广东 广州 510650)
摘 要: 提供了一种简便易行的靶面激光光斑尺寸原位测量的方法。从高斯光束的横向光强分布特性出发,建立了激光烧蚀斑半径与辐照激光能量、光斑尺寸、烧蚀阈值间的关系式,模拟分析发现辐照激光光斑尺寸对烧蚀斑半径随辐照能量变化曲线有较大影响。对于脉宽为2 ms,波长为1064 nm的激光,实验测量了不同能量激光辐照下相纸烧蚀斑半径,并用推导出的关系式拟合测量数据,获得了靶面处光斑尺寸和样品烧蚀阈值。同时,也测量了不同位置处的光斑尺寸和样品烧蚀阈值,对高斯光束束腰位置和样品烧蚀阈值的光斑尺寸效应进行了验证。研究结果表明该技术结果可靠,简单高效。该技术可以为高能激光与固体物质相互作用的基础研究和激光加工等应用领域中实现简单方便地测量靶面光斑尺寸提供帮助。
关键词: 激光技术;光斑尺寸;原位测量;高斯光束
1 引 言
激光在工业、医学、军事等领域有着广泛的应用[1]。激光光斑尺寸是标志激光性能的重要参数,也是激光应用中的重要参量。工业上的激光加工制造,军事上的激光定位等激光应用都要依靠调节激光光斑尺寸和能量等参数实现。实际中,为了满足一些特殊的需求,需要知道参数的具体数值,如激光加工应用中,获得激光光束尺寸可为激光加工质量的提高提供最基本的数据。因此,对激光尺寸的精确测定是有意义的。
目前对于激光光束尺寸的测量方法主要有套孔法[2]、刀口法[3-4]、CCD法[5-6]、激光剥离法[7-8]等。这些方法各具特点,能满足在激光应用中对光斑尺寸测量的一些要求。在激光加工应用中,激光器产生的光需要经过透镜聚焦等转换后再对材料进行加工。为实现高能量密度激光加工,通常采用短焦距透镜聚焦,亦即聚焦后出光口离靶面加工位置距离较短,此外,该距离的变化可引起靶面激光光斑尺寸的改变,可调节材料加工成型特性。因而,实际应用中常改变出光口与靶面间距离,而靶面处的激光光斑尺寸却难以通过上述几种测量方法简单地测量获得。
3.3.1 信度分析。通常采用Cronbach's α来进行信度分析。一般情况下,Cronbach's α为0.6即为最小可接受信度,>0.8表示信度非常好。本研究模型中各潜在变量的Cronbach's α系数均>0.8,总体的Cronbach's α也>0.8,表明该量表具有较好的信度。具体信度分析如表2。
水稻是中国重要的粮食作物,部分地区稻田Cd污染问题突出,给农产品安全和人体健康带来了潜在的危害(Li et al.,2008;叶长城等,2017;Yan et al.,2010)。Liu et al.(2015)对长江流域稻田土壤进行取样检测发现其 Cd含量范围在0.10~4.64 mg·kg-1,且有增加趋势。近些年来,中国南方农田重金属污染及稻米Cd超标问题日趋严重,备受社会各界关注,也成为了土壤生态、作物生长和农产品安全等研究领域的重点和热点。
本文提出一种简便易行的靶面激光光斑尺寸原位测量的方法,该方法基于透镜聚焦后激光传输方向的横截面内具有高斯强度分布,推导了激光烧蚀斑半径与辐照能量的关系式;以不同能量激光辐照靶面处样品在表面烧蚀出不同尺寸的烧蚀斑,用推导的关系式对离散实验数据作数值拟合,从而得出靶面处激光光斑尺寸和样品烧蚀阈值。实验测量了不同位置处激光光斑尺寸,判断了高斯光束束腰位置以及证实了烧蚀阈值的光斑效应,验证了技术可行性和测量结果的可靠性。
2 理论模型及分析
2.1 理论模型及原理
移动聚焦系统位置,其与样品台间距离发生改变,亦即光束经透镜聚焦后传输到靶面的距离发生变化。调节经聚焦系统出光口到样品表面距离分别为145 mm、140 mm、135 mm和130 mm时,得到的激光烧蚀斑半径随辐照脉冲激光能量变化关系分别如图7中下三角、上三角、实心圆和方块所示,同样经公式(4)拟合后,145 mm处高斯光束光斑半径为(1.17±0.02) mm,其中拟合优度R 2为97.2 %,拟合误差为1.7 %;140 mm处高斯光束光斑半径为(1.16±0.02) mm,其中拟合优度R 2为96.1 %,拟合误差为1.7 %;135 mm处高斯光束光斑半径为(1.51±0.05) mm,其中拟合优度R 2为98.0 %,拟合误差为3.3 %;130 mm处高斯光束光斑半径为(2.37±0.08) mm,其中拟合优度R 2为97.2 %,拟合误差为3.4 %。
(1)
此外,根据图7中实验结果拟合得到的,经聚焦系统出光口到样品表面距离分别为150 mm、145 mm、140 mm、135 mm和130 mm时,测得的相纸烧蚀阈值分别为(13.2±1.3) J/cm2,(21.7±1.8) J/cm2,(24.3±2.5) J/cm2,(13.8±1.4) J/cm2,(12.6±1.2) J/cm2,拟合误差分别为:9.8 %,8.3 %,10.3 %,10.1 %,9.5 %。不同大小的激光光斑作用下烧蚀阈值与光斑尺寸关系如图9所示,当光斑尺寸较小时,烧蚀阈值随着半径增大急剧减小,当光斑尺寸较大时,烧蚀阈值曲线变化趋于平缓。该规律与文献中报道的损伤阈值的光斑效应规律一致[10-12]。
测量并统计的烧蚀斑尺寸随辐照激光能量变化关系如图6中离散方块点所示。图中的横坐标误差棒表示多次测量能量波动的误差范围,最大约为5 %,纵坐标误差棒显示测量多个烧蚀斑半径时的测量范围,约为3 %。利用公式(4)对实验数据进行数值拟合所得的拟合曲线如图6中点划线所示,拟合出的150 mm处高斯光束光斑半径为(1.70±0.02) mm,其中拟合优度R 2为99.6 %,拟合误差为1.2 %,与实验结果很好地吻合。
图1 光斑尺寸定义及样品烧蚀阈值与表面烧蚀斑半径示意图
Fig.1 Schematic diagram of laser spot size,and relationship between sample ablation threshold and surface ablation radius
激光光斑尺寸与出光口到靶面间距的变化曲线如图8所示,该曲线近似成双曲线走势:距离较小或较大时,激光光斑较大;距离在140 mm到145 mm之间时存在最小值。这符合经透镜聚焦后高斯光束的传输特性,且束腰位置位于透镜焦平面后方,也与高斯光束经透镜聚焦后束腰位置的规律一致[9]。
(2)
整理公式(1)和(2)可得:
(3)
调节聚焦系统位置,使得聚焦系统出光口与感光相纸表面距离ΔL =150 mm时,不同能量激光作用下产生的烧蚀斑形貌如图5所示。可以看到烧蚀斑外围轮廓接近圆形,中心区域烧蚀更加明显。且随着辐照激光能量的增加,烧蚀斑尺寸逐渐增大。
(4)
2.2 光斑尺寸和烧蚀阈值的影响
由公式(4)可以看出,烧蚀斑半径由辐照激光脉冲能量E ,光斑半径ω (z ),样品烧蚀阈值F th决定,通过数值模拟观察这三个参数的影响,如图2和图3所示。
图2为假定样品烧蚀阈值为0.13 J/mm2时,在辐照激光光斑尺寸分别为1.2 mm、1.5 mm和1.8 mm的脉冲激光作用下形成的烧蚀斑半径随辐照能量的变化曲线。由图中可以看出,随着辐照能量的不断增大,烧蚀斑尺寸增大,但增长速度逐渐趋缓。比较不同光斑尺寸激光作用影响发现:不同能量脉冲激光作用下变化规律不一致;在相对较低能量脉冲辐照时,大光斑尺寸激光作用可能产生较小尺寸的烧蚀斑;而在相对较高能量脉冲辐照时,产生的烧蚀斑尺寸随作用的激光光斑尺寸增大而明显增大。图3为假定辐照激光光斑尺寸为1.5 mm时,烧蚀阈值分别为0.10 J/mm2,0.13 J/mm2,0.16 J/mm2的样品在不同能量脉冲激光作用下形成的烧蚀斑半径变化曲线。由图中可以看出,低烧蚀阈值样品表面形成的烧蚀斑尺寸较大,且在不同能量激光辐照作用下的变化规律基本一致。对比图2和图3模拟结果发现,假定光斑尺寸为1.5 mm的激光辐照烧蚀阈值为0.13 J/mm2的样品表面时,光斑尺寸变化20 %对烧蚀斑尺寸变化的影响要明显大于烧蚀阈值变化20 %引起的影响。亦即,激光光斑尺寸较烧蚀阈值对烧蚀斑尺寸随辐照激光能量的变化曲线趋势影响更大。这表明根据实验测得烧蚀斑半径随辐照激光能量变化的离散数据可以比较准确地拟合出激光光斑尺寸以及烧蚀阈值。
图2 模拟分析光斑尺寸对烧蚀斑半径的影响
Fig.2 Simulated analysis of the effect of spot-size on ablation-spot radius curve
图3 模拟分析烧蚀阈值对烧蚀斑半径的影响
Fig.3 Simulated analysis of the effect of ablation threshold on ablation-spot radius curve
3 测量装置及实验
测量装置如图4所示,LD泵浦的Nd∶YAG脉冲激光器发出的脉冲高斯激光(波长为1064 nm,脉宽为2 ms)经可移动聚焦系统聚焦后辐照到电动移动台靶面位置,其中可移动聚焦系统由步进电机控制在z 方向移动,内部装有焦距为160 mm的短焦透镜,且该透镜位于聚焦系统出光口上方20 mm处。而靶面处的激光光斑尺寸可随聚焦系统移动而发生变化。
图4 测量靶面激光光斑尺寸的实验装置示意图
Fig.4 Schematic diagram of experimental setup used to measure laser spot size of samples
本实验中采用感光相纸作为研究样品,固定聚焦透镜位置,通过改变激光器输入电流调节辐照脉冲激光能量,利用能量探测器可测得各输入电流下的激光能量。实验样品固定在二维电动移动台上,单个脉冲激光辐照完样品表面后,水平方向移动样品台,获得相同能量激光作用下的多个烧蚀斑。每改变一次激光能量,在竖直方向平移一段距离并打下新的一列烧蚀斑,这样就能获得一系列不同脉冲激光能量作用下的烧蚀斑。利用常州苏卓SZ-230型体视显微镜对上述烧蚀斑进行观察,并对其尺寸半径进行测量。
4 结果分析及讨论
高能量激光辐照样品表面时,表面能吸收入射激光束的大部分能量,表面温度迅速上升,达到临界温度后在表面产生烧蚀坑。假设样品烧蚀阈值为F th,辐照激光能量密度大于样品烧蚀阈值区域即为烧蚀范围,则烧蚀坑边缘所对应的能量密度为样品的烧蚀阈值,因此总能量为E 的激光脉冲辐照z 处样品表面,产生的烧蚀斑半径r t 可表示为:
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图5 不同能量激光作用下感光相纸表面烧蚀斑形貌
Fig.5 Morphology of laser ablation spot produced by laser with different pulse energies on surface of a photographic paper
图6 距离聚焦系统150 mm处相纸表面烧蚀斑半径随辐照激光能量变化测量结果(方块点)及拟合曲线(点划线)
Fig.6 Measurement results(block points) and fitting curves (dotted lines) of ablation spot radius varying with irradiation laser energy on photographic paper surface at ΔL =150 mm
一般而言,入射的激光束为高斯光束,经球透镜聚焦后,聚焦后激光在横截面内仍将具有高斯强度分布,如图1所示,其能量密度空间分布可以表示为:
高斯光斑面积内的总能量E 与峰值能量密度F 0的关系可表示为:
图7 距离聚焦系统130~150 mm处相纸表面烧蚀斑半径随辐照激光能量变化测量结果及拟合曲线
Fig.7 Measurement results and fitting curves of ablation spot radius varying with irradiation laser energy on photographic photographic paper surface at ΔL =130~150 mm
图8 距离出光口不同位置处的光斑尺寸
Fig.8 Laser spot-size ranged with ΔL
式中,F 0为高斯光斑中心处的峰值能量密度;F (r )为距离中心r 处的激光能量密度;ω (z )为光束传输到z 处横截面内激光能量密度降落到中心峰值的1/e 2的光斑半径。
图2为伸杆支撑组件图,主要由支撑滚筒、压力传感器、电磁铁、转板、限位销和配重块组成。转板安装在底板上,起到杠杆作用,可绕其轴线上下转动;塑料滚筒安装在压力传感器上,压力传感器安装在转板的左端;配重块安装在转板右端,用于对伸杆提供重力补偿力;吸盘式电磁铁安装在底板上,当电路通电时能够吸住转板左端。
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图9 烧蚀阈值随光斑尺寸变化曲线
Fig.9 Ablation threshold varied with laser spot radius
在高斯激光光束辐照下,相纸内杂质缺陷吸收辐照在其表面的激光束的大部分能量,表面温度迅速上升,达到阈值温度后产生气态分解产物[13],形成如图5所示的烧蚀斑形貌。在激光与相纸作用过程中,由于杂质对激光能量的吸收能力很强,杂质的温度瞬间上升到很高的温度,高温的杂质相当于一个热源,通过热传导的作用加热周围区域。在激光作用期间热扩散距离可以表示为其中,D 为热扩散系数;τ 为脉冲持续时间),可见,长脉冲激光的热影响范围远大于短脉冲激光,毫秒量级长脉冲激光作用的热扩散距离在100 μm量级,因此必须考虑元件内部相邻多个杂质之间的相互热传递及产生的热团簇效应[14-15]。光斑尺寸较小时,辐照激光内部的缺陷数量较少,产生的温升不如大尺寸光斑作用明显。因此小尺寸光斑作用下样品烧蚀阈值要高。
由前面不同间距下测得的实验数据与理论模型符合较好,判断的高斯光束束腰位置与分析结果近似一致,并且不同尺寸光斑激光作用下样品烧蚀阈值变化规律验证了光斑尺寸效应,由此可以看出,用该技术进行靶面激光光斑尺寸的原位测量时,其测量结果具有较高的可靠性,此外本技术简便易行,在实际应用中具有较大可行性和应用价值。
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5 结 论
本文根据高斯光束横向光强分布特性,推导出了激光烧蚀斑半径与辐照能量的关系式,分析发现辐照激光光斑尺寸对烧蚀斑半径随辐照能量变化曲线有较大影响;实验测量了不同能量激光辐照下相纸烧蚀斑半径,并数值拟合获得了靶面处光斑尺寸和样品烧蚀阈值。同时,也测量了不同位置处的光斑尺寸和样品烧蚀阈值,实验结果与理论分析的高斯光束束腰位置和样品烧蚀阈值的光斑尺寸效应相吻合。研究结果表明该技术结果可靠,简单高效。该技术可以为高能激光与固体物质相互作用的基础研究和激光加工等应用领域中实现简单方便地测量靶面光斑尺寸提供帮助。
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Study on in -situ measurement of laser spot size on target surface
WANG Yue-liang,DENG Zhao-yang,SU Yi-fan,LI Fu-hai,CHEN Xing-chi,ZHAO Guo-rui,DONG Dong-dong,MA Wen-you,LIU Min
(Key Lab of Guangdong for Modern Surface Engineering Technology,National Engineering Laboratory for Modern Materials Surface Engineering Technology,Guangdong Institute of New Materials,Guangzhou 510650,China)
Abstract :A method of in-situ measurement of target laser spot-size was provided.Based on the transverse light intensity distribution of the Gaussian beam,the relationship among laser ablation radius and irradiation laser energy,spot-size and ablation threshold was established.The simulation analysis found that the size of the irradiated laser spot has a great influence on the change curve of the radius of the ablation spot with irradiation energy.For laser with a pulse width of 2 ms and a wavelength of 1064nm,radius of ablation spot of photographic paper under different energy laser irradiation was measured,and the spot-size and sample ablation threshold at the target surface were obtained by fitting measured data using the derived relationship.At the same time,the spot-size and sample ablation threshold at different locations were also measured,and the Gaussian beam waist position and the spot size effect of sample ablation threshold were verified.The research results show that the technical results are reliable and the method is simple and efficient.This technology can help to easily and conveniently measure the size of the target spot in basic applications such as high-energy laser and solid matter interaction and laser processing applications.
Keywords :laser technique;spot size;in-situ measurement;Gaussian beam
中图分类号: TN247
文献标识码: A
DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2019.09.004
基金项目: 广东省科学院实施创新驱动发展能力建设专项资金项目(No.2018GDASCX-0947;No.2017GDASCX-0111,No.2018GDASCX-0111);广东省级科技项目(No.2017A07071027);广东省自然科学基金团队项目(No.2016A030312015)资助。
文章编号: 1001-5078(2019)09-1054-06
作者简介: 王岳亮(1990-),男,博士,工程师,主要从事激光加工技术及激光3D技术方面的研究。E-mail:wangyueliang@gdinm.com
收稿日期: 2019-01-22
标签:激光技术论文; 光斑尺寸论文; 原位测量论文; 高斯光束论文; 广东省新材料研究所广东省现代表面工程技术重点实验室现代材料表面工程技术国家工程实验室论文;