激光损伤（精选6篇）
激光损伤 篇1
摘要：目的 研究芦荟凝胶对激光所致皮肤损伤的修复效果。方法 70例激光所致皮肤损伤患者,根据治疗方法不同分为研究组与对照组,每组35例。研究组患者通过芦荟凝胶进行治疗,对照组患者通过冰敷进行治疗,对比两组患者治疗第1天患处疼痛和红肿症状改善情况。结果 治疗第1天研究组临床治疗疼痛总有效率(100.00%)与对照组患者(100.00%)比较,差异无统计学意义(P>0.05),研究组显效率(100.00%)明显高于对照组(8.57%)(P<0.05)。第1天研究组临床治疗红肿总有效率(100.00%)与对照组患者(100.00%)比较,差异无统计学意义(P>0.05),研究组显效率(100.00%)明显高于对照组(42.86%)(P<0.05)。结论 芦荟凝胶可以有效的减轻激光所致皮肤损伤患者患处疼痛和红肿,并且临床效果要优于冰敷。
关键词：芦荟凝胶,冰敷,皮肤损伤,激光
激光照到皮肤时,如其能量(功率)过大时可引起皮肤的损伤,当然损伤灶可以由组织修复,虽然功能有所下降,但不影响整体功能结构,与对眼睛的损伤要轻得多,但也须引起高度重视[1,2,3,4]。本文选取35例激光所致皮肤损伤患者进行芦荟凝胶治疗,与冰敷治疗进行对比,分析芦荟凝胶对激光所致皮肤损伤的修复效果,现报告如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料
选取2015年1~12月在本院进行就诊的70例激光所致皮肤损伤患者作为研究对象,根据治疗方法不同分为研究组与对照组,每组35例。研究组中男4例,女31例;最大年龄42岁,最小18岁,平均年龄(29±15)岁。对照组患者中男5例,女30例,最大年龄42岁,最小18岁,平均年龄(29±16)岁。两组患者性别、年龄等一般资料比较,差异无统计学意义(P>0.05),具有可比性。
1.2 治疗方法
研究组患者通过对患处涂抹芦荟凝胶进行治疗,具体治疗方法参照文献[5]。对照组患者利用冰袋(-10度冰箱存储,取出)外敷进行治疗。
1.3 疗效判定标准
根据以下疼痛与红肿改善评价标准,对两组患者治疗后疼痛与红肿改善情况进行评价。(1)疼痛:以治疗后患者感到患处疼痛感明显改善,无需进行下一步治疗评定为显效;以治疗后患者感到患处疼痛有所减轻,但仍感到需要进一步治疗评定为有效;以治疗后患者感到患处疼痛无改善或者疼痛感加深评定为无效。总有效率=(显效+有效)/总例数×100%。(2)红肿:患处无明显红肿,患处周围仅有<1.5 mm轻度红肿围绕评定为显效;患处红肿得到明显改善,周围有1.5~3.0 mm宽度的轻度红肿围绕评定为有效;患处红肿无改善或者较治疗前加重,周围有>3.0 mm宽度的红肿围绕评定为无效。总有效率=(显效+有效)/总例数×100%。
1.4 统计学方法
采用SPSS19.0统计学软件进行统计分析。计量资料以均数±标准差(±s)表示,采用t检验;计数资料以率(%)表示,采用χ2检验。P<0.05表示差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 两组患者临床治疗疼痛疗效比较
研究组患者在进行芦荟凝胶治疗第1天时,所有患者均感到患处疼痛得到明显的改善无需再进行治疗,第1天临床治疗疼痛显效35例(100.00%)、有效0例、无效0例,总有效率为100.00%;对照组患者在进行冰敷治疗第1天时,3例患者感到患处疼痛得到明显改善无需再进行治疗,32例患者感到患处疼痛有所减轻,但是患处仍然感到疼痛不适,要求进一步进行治疗,第1天临床治疗疼痛显效3例(8.57%)、有效32例(91.43%)、无效0例,总有效率为100.00%。治疗第1天研究组临床治疗疼痛总有效率与对照组患者比较,差异无统计学意义(P>0.05),研究组显效率明显高于对照组(P<0.05)。
2.2 两组患者临床治疗红肿疗效比较
研究组患者在芦荟凝胶治疗皮肤损伤第1天时临床治疗红肿显效35例(100.00%)、有效0例、无效0例,总有效率为100.00%;对照组患者在冰敷治疗皮肤损伤第1天时临床治疗红肿显效15例(42.86%)、有效20例(57.14%)、无效0例,总有效率为100.00%。第1天研究组临床治疗红肿总有效率与对照组患者比较,差异无统计学意义(P>0.05),研究组显效率明显高于对照组(P<0.05)。
3 讨论
芦荟凝胶是一种主要含有芦荟大黄素、各种糖类以及芦荟蒽酮的,从芦荟叶中提取出来的天然成分。目前,市场上有很多美容产品、化妆品以及药物中是以芦荟凝胶为主要成分。
本文应用芦荟凝胶对激光所致皮肤损伤患者进行治疗发现,35例经芦荟凝胶进行治疗的研究组患者在进行芦荟凝胶治疗第1天时,所有患者均感到患处疼痛得到明显的改善无需再进行治疗,第1天临床治疗疼痛显效35例(100.00%)、有效0例、无效0例,总有效率为100.00%;35例对照组患者在进行冰敷治疗第1天时,3例患者感到患处疼痛得到明显改善无需再进行治疗,32例患者感到患处疼痛有所减轻,但是患处仍然感到疼痛不适,要求进一步进行治疗,第1天临床治疗疼痛显效3例(8.57%)、有效32例(91.43%)、无效0例,总有效率为100.00%;治疗第1天研究组临床治疗疼痛总有效率与对照组患者比较,差异无统计学意义(P>0.05),研究组显效率明显高于对照组(P<0.05)。35例研究组患者在芦荟凝胶治疗皮肤损伤第1天时临床治疗红肿显效35例(100.00%)、有效0例、无效0例,总有效率为100.00%;35例对照组患者在冰敷治疗皮肤损伤第1天时临床治疗红肿显效15例(42.86%)、有效20例(57.14%)、无效0例,总有效率为100.00%;第1天研究组临床治疗红肿总有效率与对照组患者比较,差异无统计学意义(P>0.05),研究组显效率明显高于对照组(P<0.05)。刘小平等[6]应用复方芦荟凝胶对放射性皮炎大鼠模型进行治疗后发现,芦荟凝胶能够提高放射性皮炎创面组织中血管内皮生长因子(VEGF)、血管内皮生长因子受体(VEGFR)的表达,促进新血管生成,增加局部血运,促进创面愈合。此外,张扬等[7]的研究也表明,芦荟凝胶有助于糖尿病创面溃疡愈合。
综上所述,芦荟凝胶可以有效的减轻激光所致皮肤损伤患者患处疼痛和红肿,并且临床效果要优于冰敷。
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激光损伤 篇2
激光对CCD探测器损伤方式主要有2种:一种是低重频高脉冲能量激光直接损伤CCD探测器或使其深度饱和;另一种是高重频低脉冲能量激光或连续激光对CCD探测器产生软损伤, 使之暂时性致盲或失效.近年来许多研究工作者已对上述2种方式的损伤机理进行了较深入的分析与探讨[1,2,3,4].在此基础上进行了对CCD探测器的损伤机理的探索研究, 为了较好地分析混合频率激光 (即低重频高脉冲能量激光和高重频低脉冲能量激光混合作用) 对CCD探测器的损伤机理, 建立了混合频率激光辐照CCD探测器遮光铝膜层的热力耦合数学物理模型, 通过数值仿真进行了不同工作模式激光光源对CCD的损伤效果评估.
1 双光束合成器件工作原理
混合频率激光是指光学器件将一束低重频高脉冲能量激光与一束高重频低脉冲能量激光合并成一束激光或使它们平行发射.由于2束激光是非相干光, 它们在频域上是严格分开的, 各光束之间没有相互作用, 所以合束之后不会对各自的光学性质产生本质的影响[6].目前光束合成的方法很多, 比较常用的主要有以下几种[7]:几何光学法 (平板玻璃法;缺角直角棱镜法;小角度全反射棱镜法) ;镀膜法 (滤光片法;棱镜偏振分光镜法;平板偏振分光镜法;多面反射镜法) ;特殊晶体法 (冰川石双窗OE双输出棱镜法) .在损伤机理研究中, 综合考虑成本、复杂性及技术实现难易程度, 采用镀1.064 μm增反膜的直角棱镜做为光束合成器, 并经由倒装望远系统将两路光束发射使其在远场形成合束.两光路合成及光束发射系统的技术方案如图1所示.
图1中2θ为激光发散角, 其中高脉冲能量激光器与高重频激光器相对放置, 且它们的光轴在一条直线上.两激光器发出的激光同时入射到等腰直角棱镜的两腰.棱镜两相互垂直的腰均镀有增反膜, 则两相向光束经过棱镜反射后将平行出射.两平行光束经过其后的倒装望远系统进一步的扩束准直后, 向远场传播.由于出射激光具有一定的发散角, 经过一定距离的传播后2路激光将会相互重叠变为一路激光, 从而达到光束合成的目的.
2 光束远场合成情况的Zemax仿真
为了较直观地反映出远场光斑的合成情况, 利用Zemax软件模拟了双光束合成器件, 并利用矩形探测器探测到空间不同距离处的光斑图像.Zemax是美国Focus Software Inc.公司的通用、高效的光学设计软件.在这里利用Zemax软件中的NSC (non-sequential components非序列元件) 对整个双光束合成器件进行了模拟, 其中高重频低脉冲能量激光和低重频高脉冲能量激光的光束发散角均为2 mrad, 准直扩束系统的准直倍率为5倍, 仿真结果如图2所示.
图3所示为用空间矩形探测器探测到的双光束远场的合成情况, 从图3中可以看到, 在距发射面100 m时, 两光束的重合程度不高, 可以明显地分辨出2个光斑没有重合;距发射面150 m时的光斑已经很难分辨出是由2个光斑重合而成, 可以认为2个光斑重合, 光斑半径边缘区域约为0.122 8 m, 高能量区域半径约为0.109 2 m;在距发射面5 000 m时, 两光斑已经基本重合, 光斑半径边缘区域约为5.466 m, 高能量区域半径约为5.290 m.
3 混合频率激光辐照CCD探测器的温度场和环向应力场的理论计算
导致CCD探测器发生损伤的机理有很多种, 如:雪崩电离击穿、多光子吸收电离、非线性效应、饱和效应以及热-力损伤等.其中雪崩电离击穿、多光子吸收电离以及非线性效应等破坏机理仅在激光辐照功率密度极高等特定条件下居于主导地位[8], 且对此类破坏机理的讨论目前还主要集中在实验研究和定性描述的阶段, 建立定量分析模型的难度较大.在现有的激光应用领域, 损伤机理仍以热-力学损伤模型为主.相关的理论与实验研究表明[9,10], 激光辐照CCD的热力损伤效应首先从遮光铝膜层开始, 所以以铝膜层为研究对象建立物理模型如图4所示.z向为轴向, 最大值为h, r向为CCD径向, 最大值为b, 入射激光的光斑半径为ω0.假设物质均匀、各向同性, 在柱坐标系中, 关于z轴对称的三维热传导微分方程可表示为[11]
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式中, 设T (r, z, t) 为物体内部的温度场, 是空间坐标 (r, z) 及时间t的函数;ρ为材料的密度;c为材料的比热容;k为材料的导热系数;ρ、c、k通常是温度T的函数, 对于大多数材料来说ρ、c、k随温度的变化不是很明显, 可以认为是常数;undefined为材料的热扩散系数;q (r, z, t) 为内热源功率密度, 将激光视为一个随r, z, t等参数变化的内热源, 该热源存在于材料的一个极微薄的表层.高重频低脉冲能量激光与低重频高脉冲能量激光混合激光光源的功率密度表达式为
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式中, △t1为高重频激光的脉冲宽度;△t2为高重频激光脉冲周期;△t3为低重频激光的脉冲宽度;△t4为低重频激光脉冲周期;M、N为时间t内包含的脉冲个数;P (t-m△t2) 为高重频激光的瞬时功率, P (t-n△t4) 为低重频激光的瞬时功率, 可通过式 (3) 求出
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式中, △t0为脉冲周期;△te为脉冲宽度;P为脉宽内的峰值功率.
初始条件和边界条件可表示为
T|t=0=T0, T0为环境温度 (4)
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对热传导方程进行半解析求解[10], 得出t时刻混合频率激光在材料表面邻近区域激起的温度场为
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CCD的力学损伤主要表现为环向应力损伤[8,9,10,11], 对于上述物理模型, 温度场轴对称分布, 根据热弹性理论、应力的平衡方程、应力应变的几何方程及应力应变的广义胡克方程, 可解出环向热应力分布的表达式为[7]
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式中, σθ为沿环向的热应力分量;β为材料热膨胀系数;E为薄膜杨氏弹性模量;γ为泊松比.将式 (6) 代入环向热应力分量的式 (7) 就能计算出混合激光光源辐照下遮光铝膜层热应力分布的半解析表达式.
4 数值仿真
对式 (6) 、式 (7) 采用有限差分法进行数值求解.参考实际像元尺寸, 计算中选取遮光铝膜厚度为1 μm, 计算用激光光源参数为3种状态:A—100 kHz、平均输出功率20 W的高重频激光单独输出;B—1 Hz、单脉冲能量0.1 J的低重频激光单独输出;C—高重频激光和低重频高脉冲能量激光同时输出, 3种状态的激光输出波长均为1.064 μm.结构参量为:聚焦后的激光光斑半径为30 μm, 计算半径r=100 μm, 初始温度取T0=300 K, Al对1.064 μm激光的吸收系数为0.08, 材料对激光的反射率约为5%, 根据测量η=0.8.为了模拟激光功率 (能量) 密度在大气传输过程中的衰减效应以及CCD光学系统的聚焦作用, 引入衰减系数ρ (实验中可通过添加衰减片来实现) , 计算时取ρ=0.001.Al的热物性参量为:密度ρ=2.7 (g·cm-3) ;热导率k=2.38 (W·cm-1·K-1) ;比热c=1.05 (J·g-1·K-1) ;热扩散系数a=8.4×10-1 (cm2·s-1) ;热膨胀系数β=2.29×10-5 (K-1) ;杨氏模量E=6.8×106 (N·cm-2) ;泊松比γ=0.3;熔点T=658 ℃.
图5a所示为高重频激光单独作用CCD遮光铝膜层时, r=0, z=0点处的温度随时间变化的分布情况.在第一脉冲到来后光束中心点处温度就达到了240 ℃, 之后在这一温度的基础上缓慢增加, 在t=0.007 3 s时达到265 ℃.途中曲线的宽度是由材料的热导率和热扩散系数决定的, 数值越大目标点处温度降低幅度也越大, 曲线宽度越宽, 可见要想使目标达到某一温度, 相对于连续激光来说, 高重频激光需要更少的时间.图5b上方曲线为混合频率激光辐照遮光铝膜层时光束中心点处的温升情况, 下方曲线代表混合频率激光成分中低重频高脉冲能量激光单独作用目标时, 光束中心点处的温升情况.从中可以看出混合频率激光使材料产生的温升综合了高重频激光和低重频激光各自的作用效果, 表现在:它可以在高重频激光引起的温升的基础上附加低重频脉冲激光引起的温度跳变.如图5b所示, 低重频脉冲激光单独作用时目标处温度始终低于400 ℃, 而加入了高重频激光后, 在t=1 s时温度就跳变到450 ℃达到了微透镜阵列的熔点[9], 在t=3 s时温度再次跳变到670 ℃达到了铝膜的熔点, 之后目标处温度稳步升高在低重频脉冲激光到来时均伴有温度的跳变现象发生, 每次跳变后的温度都会高于铝膜的熔点.可见, 相比于高重频激光或低重频激光单独辐照CCD的情况, 混合频率激光将会给遮光铝膜带来更高的温升, 进而对CCD产生更严重的热损伤.图5c为混合频率激光辐照中心点处, 在t=2 s左右的环向应力随时间、半径变化的三维分布图.为了便于分析, 只给出了1.999 995～2.000 011 s时间段内应力的分布情况.可以看出采用混合频率激光辐照目标时, 最显著的特征是材料所受的环向应力存在跳变的现象, 特别是在低重频激光脉冲到来的时刻, 会发生较大幅度的应力跳变, 这种跳变带有热冲击的特征, 会使材料发生反复的压缩与拉伸, 对一些脆性材料很容易形成破坏.在t=2 s时, 光照中心点处材料在高重频激光作用的同时又迎来了低重频激光的辐照, 使得这一点处的环向应力发生了较大幅度的跳变现象, 压强接近了500 MPa, 这与文献[4]中所述的Al与SiO2的层间附着力接近, 铝膜有可能与SiO2层发生部分的分离, 激光通过铝膜边缘的反射、衍射进入垂直移位寄存器, 造成 CCD的漏光现象, 由于垂直移位寄存器串行的工作方式, 将在CCD的竖直方向拉出线状或带状白色的噪声.图5d所示为光照中心点处混合频率激光引起的环向应力与低重频激光单独作用引起的环向应力的比较图, 没有高重频激光的作用下, 低重频激光引起的环向应力的跳变峰值为240 MPa, 而且脉冲结束后应力值迅速衰减.而采用混合频率激光辐照材料时, 环向应力的跳变峰值可以达到500 MPa, 之后虽有所衰减但在高重频激光的持续作用下很快就又保持了稳定的增长.综上所述, 与连续激光、高重频激光和低重频激光单独作用相比, 混合频率激光可对CCD探测器形成更大的热力损伤.
5 结 束 语
通过上面的分析可以看出, 采用低重频高脉冲能量激光与高重频低脉冲能量激光综合集成的混合频率激光会对CCD探测器产生更强烈的损伤效果.
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激光损伤 篇3
激光对光电探测器的损伤情况与激光的能量(功率)、波长、重复频率、辐照时间、光斑尺寸和探测器的类型等诸多因素有关[1]。对于确定的实验系统而言,则激光能量(功率)和重复频率成为主要的影响因素(连续激光可看作重频为无限大)。文献[2]通过实验测量了连续激光与5 kHz重频激光对可见光线阵CCD的损伤阈值,发现重频激光的损伤阈值低于连续激光;文献[3]中的实验表明,激光脉冲能量越强,损伤现象越严重。但在实际应用中,到达探测器表面的激光能量(功率)不可能太高,因此研究连续、重频脉冲激光的不同损伤机制,探寻更容易造成损伤的激光工作状态具有重要意义。文献[4]采用800 nm,100 fs的脉冲激光对面阵CCD进行辐照实验,发现在1 Hz,10 Hz,1 kHz三种重频情况下,发生损伤所对应的平均功率密度阈值在10 Hz时最小,1 kHz时最大。但是,对重频激光损伤阈值低于连续激光、不同重频激光损伤阈值有差异的原因,目前还没有明确的报道。
本文开展了1.06µm激光在不同工作状态下对可见光CCD的损伤实验,通过对损伤形貌的电镜扫描分析,讨论了连续、重频激光以及不同重频激光对CCD的损伤机理。
1 激光损伤实验
1.1 实验装置
采用声光调Q的高重频Nd:YAG激光器对CCD进行损伤实验。CCD的探测器芯片与镜头分离,芯片大小为1/4英寸,镜头焦距25 mm,对1.06µm激光透过率为85%。由于探测器芯片表面具有红外截止滤光片,而1.06µm激光不在滤光片的透射光谱内,所以为了进行该实验,必须将芯片表面的滤光片取下。实验装置如图1。图1中分光镜的透反比为1.25,激光辐照时间定为1 s,CCD对0.6 m远外的物体成像。
1.2 实验现象
分别使用连续激光、40 kHz和5 kHz重频激光对三个相同型号的CCD探测器进行损伤实验,每组实验中,各个损伤状态所对应的激光光斑位于探测器表面的不同位置,激光功率都指镜头前的激光功率。
首先使激光器处于连续工作状态,当激光功率为8.03 W时,输出图像中出现一个较小的损伤点,如图2(a);激光功率为8.56 W时,输出图像中的损伤点变大,如图2(b);激光功率增大至13.63 W时,图像中出现不可恢复的纵向损伤亮线和横向损伤暗线,如图2(c);激光功率增大至18.75 W时,输出为全白屏,且不可恢复,如图2(d)。
分别在各个损伤状态下对垂直驱动电极与衬底之间的阻抗(RVΦ1-SUB~RVΦ4-SUB)、水平驱动电极与衬底之间的阻抗(RHΦ1-SUB~RHΦ2-SUB)进行测量,得到表1。
发现,RHΦ1-SUB~RHΦ2-SUB始终不变。CCD出现点损伤时,RVΦ1-SUB~RVΦ4-SUB不发生变化;CCD出现线状损伤时,RVΦ1-SUB~RVΦ4-SUB与正常工作时相比稍有减小;CCD被完全损伤时,RVΦ1-SUB~RVΦ4-SUB急剧减小,与正常工作时相比下降了3个数量级。
更换CCD,调节激光器,使之输出40 kHz重频脉冲激光。当激光平均功率为3.69 W时,输出图像中出现一个很小的损伤点,如图3(a);当激光平均功率为4.08 W时,输出图像中出现较严重的线状损伤,并伴有横向损伤暗线,如图3(b);当激光平均功率为5.05 W时,图像变黑,且不可恢复,如图3(c)。
更换CCD,使激光器输出5 kHz重频脉冲激光。当激光平均功率为0.355 W时,输出图像中出现横向损伤暗线,如图4(a);当激光平均功率为0.396 W时,图像中出现很细的纵向损伤亮线,并伴有横向损伤暗线,如图4(b);当激光平均功率为0.426 W时,图像变黑,出现较粗的纵向亮线,且不可恢复,如图4(c)。
综合以上实验结果,发现连续激光不容易造成CCD的损伤,其损伤阈值最高;而5 kHz重频激光很容易造成CCD的损伤,其损伤阈值最低,且没有点损伤现象;40 kHz重频激光的作用效果介于两者之间。
2 损伤机理分析
2.1 连续激光作用情况
为了解释以上实验现象,分别对三组实验中损伤的CCD芯片进行电镜扫描分析,得到连续激光作用时,芯片上各个损伤位置的损伤形貌,如图5(a)∼(d)。
输出图像中出现较小的损伤点时,芯片上对应的损伤形貌如图5(a),放大倍率为500。可以发现表层微透镜的熔融剥落,但内层的彩色滤光片并没有损坏。微透镜的损伤使像元开口率发生变化,垂直移位寄存器(垂直CCD)开始出现轻微漏光[5];彩色滤光片温度的升高可能使其中的化学元素发生某种变化[6],导致其对可见光的透过率有所增大。由于以上两种因素的存在,在无激光辐照时,损伤区域仍有较多载流子产生,表现为输出图像中的小损伤亮点。
输出图像中出现较大的损伤点时,芯片上对应的损伤形貌如图5(b),放大倍率为500。发现表层微透镜和彩色滤光片都已发生熔融,但内层的感光单元阵列和转移电极结构仍然完好。激光光斑随着输出功率的增大而增大,而且在激光辐照期间热量将沿着径向传导,所以损伤区域明显变大。彩色滤光片的熔融使得可见光可以不经衰减地直接辐照在损伤区域,在无激光辐照时产生更多载流子,表现为输出图像中的较大损伤亮点。
输出图像中出现不可恢复的线状损伤时,芯片上对应的损伤形貌如图5(c),放大倍率为4 000。图示的网格结构中,纵向的是垂直CCD,横向的是布线电路,二者都由表层的铝膜进行遮光,CCD探测器通过布线电路将时序驱动电压加载到各列垂直CCD的转移电极上,从而实现电荷转移功能。发现暴露于激光下的遮光铝膜受到了损伤,铝膜的部分熔融使垂直CCD出现严重漏光;同时由于没有了遮光铝膜的保护,内层原本分立的多晶硅电极可能因激光辐照而熔融、短路,在不同的驱动电压下,产生电极间的漏电流。漏光现象和漏电流使载流子明显增加,沿着垂直CCD溢出,表现为图像中的损伤亮线。电极之间的短路,对某一驱动电极与衬底间的阻抗而言,相当于并联了其他电阻,故表1中的RVΦ1-SUB~RVΦ4-SUB与正常工作时相比稍有减小。
输出图像全白屏时,芯片上对应的损伤形貌如图5(d),放大倍率为2 000。发现遮光铝膜的熔融更加严重,冷却凝聚后为液滴状物,故漏光现象和电极间的漏电流将进一步增大,而且多晶硅电极熔融可能导致下层的SiO2绝缘层紧接着被损伤,Si O2绝缘性降低使电极与衬底之间的漏电流急剧增加[7]。大量的载流子溢出,将垂直CCD和水平CCD(水平移位寄存器)相继填满,故输出图像为全白屏[7]。SiO2绝缘层的损伤,导致驱动电极与衬底间的阻抗急剧降低,故表1中的RVΦ1-SUB~RVΦ4-SUB与正常工作时相比下降了3个数量级。估算此时芯片上的光斑半径为70µm,平均功率密度约为1.035×105 W/cm2。
2.2 40 kHz重频激光作用情况
40 kHz重频激光作用时,芯片上各个损伤位置的损伤形貌,如图6(a)∼(b)。
输出图像中出现较小的损伤点时,芯片上对应的损伤形貌与连续激光作用时相似,损伤机理也类同。
输出图像中出现较严重的线状损伤时,芯片上对应的损伤形貌如图6(a),放大倍率为3 000。发现遮光铝膜和多晶硅电极发生汽化烧蚀损伤。虽然只是几个像元被损伤,但漏光现象和电极间的漏电流产生了大量的溢出载流子。
输出图像全黑屏时,芯片上对应的损伤形貌如图6(b),放大倍率为2 000。汽化烧蚀的区域扩大为十几个像素,这将使漏光现象加重、电极间以及电极与衬底间的漏电流进一步增大。溢出载流子将垂直CCD、水平CCD相继填满后仍向读出电路溢出,表现为全屏黑屏[8]。估算此时芯片上的光斑半径约为50µm,脉宽700 ns,单脉冲功率密度约为1.952×106 W/cm2。
2.3 5 kHz重频激光作用情况
5 kHz重频激光作用时,芯片上各个损伤位置的损伤形貌,如图7(a)∼(c)。
输出图像中出现横向损伤暗线时,芯片上对应的损伤形貌如图7(a),放大倍率为4 000。发现横向分布的像元隔离结构被损伤,这可能导致了输出图像中的横向暗线,具体原因尚未明确。而且在图6(a)、图7(b)中也可以观察到像元隔离结构的烧蚀现象,这进一步验证了以上推测。
图像中出现很细的纵向损伤亮线时,芯片上对应的损伤形貌如图7(b),放大倍率为2 500。垂直CCD的遮光铝膜被损伤,产生漏光现象和电极间的漏电流。
图像变黑时,芯片上对应的损伤形貌如图7(c),放大倍率为2 000。光斑区域的损伤程度很严重,已经将硅基底材料损伤。CCD器件材料发生强烈汽化,靶材料蒸汽高速喷出时把部分凝聚态颗粒或液滴一起冲刷出去,这种“冲刷”现象使得激光的烧蚀率大大提高,因为被冲刷出去的凝聚态材料并没有吸收汽化热,所以对材料的损伤深度更深。同时,喷溅出靶面的材料蒸汽和凝聚态颗粒将施加给靶面反冲压力及冲量,对靶面材料造成力学损伤[9]。估算此时芯片上的光斑半径约为30µm,脉宽180 ns,得到单脉冲功率密度约为1.423×107 W/cm2。
由以上分析结果可知,连续激光对CCD的损伤阈值较高(W量级),但探测器表面的激光平均功率密度却较低(105 W/cm2量级),损伤过程主要以探测器材料的热熔融为主;5 kHz重频激光对CCD的损伤阈值较低(mW量级),但探测器表面的单脉冲功率密度却较高(107 W/cm2量级),损伤过程主要以探测器材料的汽化烧蚀以及因较强汽化而产生的“冲刷”现象和与之伴随产生的反冲压力损伤为主;40 kHz重频激光的损伤阈值和探测器表面的单脉冲功率密度介于两者之间,损伤过程主要以探测器材料的汽化烧蚀为主。
实验中的高重频Nd:YAG激光器采用连续泵浦方式,所以调节激光重频时,重频脉宽也会发生变化。但重频在5~40 kHz变化时,脉宽变化范围为180~700 ns,这对单脉冲功率密度量级的影响不大。所以,本实验可以相对准确地反映不同重频激光对CCD的作用机理。
3 结论
CCD损伤过程中的第一阶段(即点损伤)是由微透镜或者彩色滤光片的损伤造成的;第二阶段(即线状损伤)是由于遮光铝膜和多晶硅电极损伤,进而产生漏光现象和电极间漏电流造成的;第三阶段(即完全损伤)是由于多晶硅电极下SiO2绝缘层损伤,进而使得电极与衬底间的漏电流急剧增大造成的。
连续激光对CCD的损伤阈值较高,以热熔融为主;5 kHz重频激光对CCD的损伤阈值较低,以汽化烧蚀以及因较强汽化而产生的“冲刷”现象和与之伴随产生的反冲压力损伤为主;40 kHz重频激光的损伤阈值介于两者之间,以汽化烧蚀为主。
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激光损伤 篇4
关键词：多晶硅,高重频脉冲,激光损伤,损伤机理
1 概述
多晶硅作为光电探测器的主要材料, 也是当今硅太阳能电池的重要组成部分。采用激光技术来制备太阳能电池, 有提高效率、降低成本和减少电池生产中的污染等优点, 是目前太阳能电池研究和开发的热点[1]。随着大功率激光器的发展, 在强激光作用下太阳能电池损伤效应成为研究的热点问题[2]。激光具有单色性好、方向性好、亮度高、相干性好等优点, 自从上世纪六十年代第一台激光器研制成功, 激光以其优异的特性被广泛应用到工业、生物医疗、军事对抗等众多领域, 且激光的应用都涉及到激光与物质相互作用问题。所以, 研究高重复频率脉冲激光辐照多晶硅材料的损伤机理, 对于探寻激光与物质的相互作用机理和优化多晶硅元件的抗激光损伤特性都具有重要的理论和实际意义[3]。多脉冲激光辐照材料时, 材料的低烧蚀阈值可能在低脉冲能量高重频激光加工中应用, 以提高加工效率。
2 半导体材料的单脉冲激光损伤机理分析
国内外关于半导体材料的单脉冲激光损伤机理进行大量的研究。1986年El-Adawi M K等研究了激光辐照半导体材料的加热机理[4]。1997年倪晓武等进行了强激光对半导体材料的破坏研究[5]。1999年, 沈中华等对皮秒和纳秒脉冲激光作用于半导体材料的加热机理进行了研究[6]。他们在2001年还对半导体材料硅的单脉冲和多脉冲激光损伤现象进行分析研究[7]。半导体材料对于激光有效的吸收机制主要有:本征吸收、激子吸收、自由载流子吸收和杂质吸收等。本征吸收是半导体材料的主要吸收机制, 即价带电子吸收光子能量跃迁到导带, 从而产生空穴-电子对。激子能级位于接近导带底的禁带中, 它的电离能很小, 在常温下激子的吸收是很弱的, 所以不考虑。激光可以激发产生大量的过剩载流子, 因此自由载流子吸收也是半导体材料在与激光相互作用时主要的吸收机制。杂质吸收吸收与电离的杂质数目成正比, 只有在重掺杂的情况下, 才考虑杂志吸收。半导体材料在被单脉冲激光辐照时, 其主要的损伤机制有热熔破坏、热致应力损伤、雪崩电离击穿破坏、多光子吸收电离破坏和自聚焦破坏等。
3 实验
3.1 实验装置
实验装置如图1所示。型号为BR-PLM-1000的重频可调的皮秒脉冲经过衰减片组合后, 被分光镜分为两束。85%的激光经过聚焦透镜后垂直作用到多晶硅表面。2%的激光经分光镜反射后被激光功率计探头实时收集, 从而可以对辐照过程中的激光功率进行实时监测。
实验中所用的多晶硅片尺寸为:20mm×20mm×0.20mm, 实验前将多晶硅片在丙酮和乙醇中清洗。实验过程中通过调整衰减倍率和改变激光电流来控制激光功率值, 多晶硅表面损伤形貌由电子扫描显微镜观测得到。
3.2 实验结果
图2为激光重频为1k Hz, 激光辐照时间为10s, 激光峰值功率密度为2.74*1010W/cm2时, 多晶硅表面的损伤形貌。 (a) , (b) 分别为显微倍率为200x, 2000x时, 多晶硅被激光辐照区域SEM图。
从图2 (a) 可以看到, 多晶硅表面激光辐照区域可以分为三个区域。激光光束中心辐照区域颜色较深, 该区域称为热熔区。从 (b) 可以看到该区域形成一个完全将多晶硅击穿的损伤坑, 这是由于高斯光束光斑中心超高能量使材料发生了严重程度融化, 还可以看到损伤坑边缘发黑, 这是由于激光的热作用使材料发生了氧化反应。热熔区外围白色区域即为热影响区。热影响区域的形成可以解释为激光中心吸收激光能量导致其表面温度迅速升高, 材料内部晶格的热传递使该区域发生了轻微氧化反应。热影响区的外围是激光无影响区, 该区域内存在一些沉积物, 这是激光与多晶硅作用过程中光束中心辐照部分融化物质向外喷溅造成的。
3.3 损伤机理分析
高重频皮秒脉冲激光损伤实际上是一个多脉冲损伤过程。虽然单脉冲能量较低, 甚至远低于材料的蒸发阈值, 但由于激光辐照过程中的脉冲积累使材料发生了损伤。多脉冲的主要的损伤机制有热积累和脉冲积累。当脉冲重复频率不变时, 热积累是较低损伤阈值的原因被广泛接受。高重频激光具有较短的脉冲间隔, 第一个脉冲作用材料后, 材料吸收激光能量使其表面温度升高, 源源不断的后续激光脉冲辐照多晶硅后, 使多晶硅表面温度逐渐升高, 最后使材料发生熔融烧蚀。微缺陷积累是另一种主要的损伤机制。多晶硅材料在制备与加工的过程中, 存在大量的微观缺陷, 这些缺陷具有比多晶硅本征吸收大的多的吸收率。因此对于高重频激光损伤而言, 虽然单个脉冲的激光能量较小, 不能使材料发生宏观损伤, 但可能引起材料内微观缺陷的爆炸和发展, 每次微观缺陷的爆炸和发展, 将增加材料对后续激光能量的吸收, 最终微缺陷的积累导致材料发生宏观损伤。
4 结束语
文章对高重频皮秒脉冲辐照多晶硅的损伤进行了实验研究。高重频辐照多晶硅材料时, 材料表面损伤形貌主要分为热熔区、热影响区和无激光作用区三个区域。多晶硅的多脉冲损伤机制主要有热积累和微缺陷积累。
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激光损伤 篇5
作为最重要的高折射率材料之一,Hf O2的激光诱导损伤抗性高,机械性能和热稳定性好,在较宽的光学波长范围内具有较小的光学吸收,因而在光学薄膜方面有着广泛的应用,例如高反膜( HR) 和增透膜( AR) 等。
实验使用电子束蒸发法制备得到HfO 2/ Si O2增透膜样品。将样品在500℃下退火了4 h。为了探讨损伤机制和退火对薄膜性能的影响,测量了样品的透射光谱,对样品进行激光诱导损伤处理,用光学显微镜和原子力显微镜观察了损伤形貌,并对形貌的成因进行分析。
1 实验流程
1. 1 样品制备方法
利用电子束蒸发法在Φ50 mm的熔石英基底上进行膜层沉积,镀膜材料为HfO 2及Si O2,基底温度为200℃。样品的膜系设计为G/HL/A,G指熔石英基底,H是四分之一波长光学厚度的高折射率材料Hf O2,L是四分之一波长光学厚度的低折射率材料Si O2,A是入射介质( 空气) 。
1. 2 退火过程
将样品在空气气氛下进行退火。升温速率控制在5℃ /min,在500℃下保温4 h,然后自然冷却至室温。
1. 3 薄膜表征
利用Perkin - Elmer公司的Lambda 950分光光度计测量HfO 2/ Si O2增透膜的 透射光谱。分 光光度计 的测试精 度为±0. 08% 。测量结果见图1。
使用“S - on - 1”模式对样品进行激光诱导损伤实验。实验光路图如图2。在TEM00模式下运行Nd: YAG激光系统,脉冲宽度为10 ns,波长为1064 nm,重复频率为30 Hz。将样品置于样品台上,激光束汇聚产生远场高斯束,其光斑有效直径为351μm,入射角为0°。使用Leica DM4000光学显微镜观察样品表面的损伤形貌。
2 结果与讨论
2. 1 透射光谱
图1是HfO 2/ Si O2增透膜测得的透射光谱,其中实线部分代表退火样品。可以发现,与未退火样品的谱线相比,退火样品的谱线明显向短波方向移动。其原因是电子束蒸发法制得的薄膜比较疏松,退火使得薄膜疏松结构中吸附的水被去除,等效光学厚度减小,透射光谱向短波方向移动。
2. 2 激光诱导损伤形貌
当被激光辐照时,薄膜中的缺陷 ( 如化学计量比失配缺陷、杂质及结构缺陷) 以及基底的亚表面损伤层中的缺陷会成为强烈的吸收中心,吸收激光能量并产生损伤[4]。通过观察损伤形貌,可以获得大量信息用以解释激光诱导损伤机制。
使用Nd: YAG激光器,在“S - on - 1”模式下采用1064 nm基频光对样品进行激光诱导损伤实验,获得损伤形貌。图3展示了一些典型的损伤形貌。图3( a) 和( b) 属于未退火样品,( c) 和( d) 属于退火样品。其中,( b) 和( d) 分别是( a) 和( c) 中损伤坑的中心的形貌。两种样品的损伤形貌主要是损伤坑。可以看出,未退火的样品和退火样品的损伤坑的直径没有明显的差别。分别在两种样品上随机选择了30个损伤坑计算其平均直径。未退火样品损伤坑的平均直径为335. 6μm,退火样品的为345. 5μm,两者非常接近。
在损伤坑的中心位置,由于高温使材料熔融和气化,造成材料损失,表现为较深的凹坑,并可在显微镜下观察到坑壁上有熔融后再结晶形成的微小颗粒。
文献中提到[9],激光能量会几乎全部透过增透膜到达基底( 本文中的基底为熔石英) 。吸收颗粒存在于熔石英亚表面损伤层的裂纹中,被激光辐照后,这些裂纹中的吸收中心温度迅速升高成为气体源,产生蒸汽膨胀。当膨胀产生的压力P大于裂纹扩张所需的阈值压力Pc时,裂纹会被扩大。Pc的表达式如下:
其中,L是裂缝的长度,Kc是材料断裂韧性[10]。随着裂缝长度的提高,阈值压力Pc会相应降低[11]。后续激光脉冲到达样品后,等离子体持续生成并膨胀,导致裂纹逐渐扩大,最后表现为较大尺寸的损伤坑。因此,可以认为电子束蒸发法制得的增透膜的损伤是从基底的亚表面损伤层开始出现的。基于这种损伤机制,即基底比膜层先损坏,退火不会对样品的损伤形貌产生明显影响,故退火与未退火样品的损伤形貌表现出较高的相似性。图4是上述解释的原理图。
当裂纹不断扩大,至其直径与激光光斑有效直径接近时,损伤坑的直径不再扩大,后续损伤以裂纹形式出现。在热应力和冲击波的共同作用下,在损伤坑周围出现裂纹,裂纹以损伤坑为中心,呈辐射状向外延伸。
图5展示了用光学显微镜观察到的一种损伤形貌。从图5( a) 中可以看到明显的波纹。图5( b) 是图5( a) 中椭圆部分的放大图。使用AFM对图5中椭圆部分的波动图样进行观察,结果如图6。从图6可以看到更为明显清晰的波动纹样。波峰之间的间隔均匀,每个周期内的峰谷值相差不大,具有较好的规律性和周期性。
根据高能激光 与物质相 互作用的 激光支持 的爆轰波( LSDW) 理论,物质吸收激光能量迅速升温,并熔融气化产生高温高压的等离子体。由于逆韧致吸收作用,这些高温高压等离子体强烈吸收后续激光能量形成爆轰波[12]。分析认为,图5和图6中的波纹,是冲击波在熔融的样品表面传播时,由于材料降温冷却而被固化下来的。
3 结 论
对电子束蒸发法制得的HfO 2/ Si O2增透膜样品进行退火,测量样品的透射光谱并研究其激光诱导损伤形貌。退火使薄膜疏松结构中的吸附水被去除,薄膜等效光学厚度减小,故退火样品的透射光谱明显向短波方向移动。由于基底亚表面损伤层的裂纹中存在吸收中心,这些吸收中心吸收激光能量导致裂纹扩大,最终形成损伤坑,故样品的损伤始发于基底的亚表面损伤层。因此,退火没有对样品的损伤形貌产生明显影响,两种样品的激光诱导损伤形貌均主要是损伤坑,且损伤坑的平均直径非常接近。解释了损伤坑边缘观察到的波动图样,波动可能是在等离子体爆轰波传输过程中产生的。
摘要：用电子束蒸发法制备了Hf O2/Si O2增透膜样品,并进行退火。测量未退火样品与退火样品的透射光谱,发现退火样品的光谱明显向短波方向移动,原因是退火后薄膜中的吸附水被去除。使用Nd:YAG激光器在“S-on-1”模式下对样品进行了激光诱导损伤处理。两种样品的损伤形貌均主要是损伤坑。考虑到损伤的成因是基底的亚表面微裂纹中的吸收颗粒吸收激光能量后导致裂纹扩大,最终形成损伤坑。基于这种损伤机制,退火对损伤没有明显影响。通过显微镜在损伤形貌中观察到了冲击波传输形成的波动条纹。
激光损伤 篇6
聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compacts,PDC)是一种新型的超硬材料,它不仅继承了金刚石的高硬度与耐磨性好的优点,而且因其硬质合金基底与一般金属之间良好的焊接性能,还克服了金刚石与金属之间焊接性差的难题。目前PDC已广泛应用于切削加工、地质钻探、石材加工等领域的工具制备,特别是随着航空业与汽车业新材料的开发,如硅铝合金的开发与应用,PDC刀具的应用获得了更加广阔的市场空间与更好的前景。
目前,国外商品化的PDC直径一般为50～70mm,为了将PDC制备成各种切削加工用刀具或工具,对PDC进行切割加工是必不可少的工序。然而,金刚石非常高的硬度与耐磨性给PDC切割加工带来了很大的困难,常规的切割方法几乎无法实现PDC切割加工,如何克服金刚石机械性能对切割过程的影响是实现PDC有效切割加工的关键。常用的PDC切割方法有两种,即电火花线切割与激光切割。从电火花线切割加工的研究现状来看,国内外学者的研究主要集中在脉冲电源的改进[1]与工艺参数如脉冲宽度、占空比、脉冲电流等的合理选择以及探讨各参数对切割质量与切割速度等的影响[2],目前已发表文献中很少有涉及PDC电火花线切割机理方面的研究。从激光切割的研究现状来看,国内外学者主要是针对CVD金刚石膜的切割、金刚石钻孔、金刚石抛光以及金刚石的微细加工等方面[3,4,5]开展了大量工作,还未曾发现有文献对PDC激光切割进行深入研究。然而,电火花线切割与激光切割是PDC两大最主要的切割方法,开展PDC电火花线切割与激光切割机理的比较研究,有助于选取合适的PDC切割方法以及工艺参数的合理选择,为PDC切割加工提供必要的理论基础。因此,开展PDC电火花线切割与激光切割加工的切割机理与损伤研究是一项有意义的工作。本文主要目的在于通过开展PDC电火花线切割与激光切割加工实验,利用材料的显微分析与检测手段分析试件形貌与热损伤,探讨PDC电火花线切割加工与激光切割加工机理,为PDC电火花线切割加工与激光加工工艺参数的合理选择、PDC切割质量与切割效率的提高提供理论基础。
1 实验材料、设备及方法
1.1 实验材料与设备
采用苏州三光科技有限公司电火花线切割机(型号为DK7725e),参考目前实际工程应用中的PDC电火花线切割加工工艺,采用电火花线切割参数如下:脉冲宽度为16μs、峰值电流为2A、进给速度为4mm/min、占空比为6、功放管10个、运丝速度为高速。
采用YAG精密激光切割机(北京希波尔公司生产,型号为LMC-1),参考目前实际工程应用中的PDC YAG激光切割加工工艺,采用激光切割参数如下:波长为1.064μm、输出功率为15W、脉冲频率为50Hz、脉冲宽度为100μs、焦斑直径为0.1mm、辅助气体为空气、辅助气体气压为2个大气压、喷嘴直径为0.5mm、切割速度为1mm/s。
采用韩国生产的聚晶金刚石复合片,型号为CCW,直径为60mm,金刚石层的金刚石微粉平均粒径为25μm。
1.2 实验方法
首先采用DK7725e电火花线切割机与YAG精密激光切割机进行PDC切割加工,切割试件若干;然后利用细砂纸打磨、金刚石微粉抛光与王水处理等方法分别对试件切割形成表面进行处理;接着利用扫描电镜与拉曼光谱议对试件切割表面进行显微观察与成分分析;最后根据检测结果对PDC激光切割机理与电火花线切割机理进行比较研究,找出影响切割质量的主要因素,为提高PDC电火花线切割、激光切割的质量和加工效率提供理论基础。
2 实验结果
2.1 PDC电火花线切割与激光切割表面形貌比较
图1为聚晶金刚石复合片的激光切割表面形貌。从该图中可以看出试件表面存在明显的波形条纹。这是一种在激光切割中碳钢、钛合金等塑性金属材料时常出现的现象,对于这一现象的形成机理仍是一个有待深入研究的问题[6,7,8,9]。普遍认为激光切割过程中测面材料的熔化是形成波形条纹的前提[6],而测面材料的熔化深度与单脉冲能量以及脉冲宽度有直接联系。由于100μs的YAG激光脉宽大,导致测面熔化层深度大,熔化材料在辅助气体吹力与材料表面张力作用下达到一种动态平衡而凝结在切割表面并形成残留层。在激光高能束作用下,由于材料沿切深方向存在一定的熔化时间差,从而使得激光照射区沿切深方向存在一定角度的坡口,在辅助气体吹力作用下,导致熔化材料在切割表面形成了波纹状残留层。
图2为PDC的金刚石层电火花线切割表面形貌,表面粗糙度Ra为1.6μm左右。由于所采用的PDC其金刚石平均粒径为25μm,从图2可以看到金刚石颗粒有明显的碎化现象,并且存在许多小凹坑,这是金刚石颗粒间隙的金属钴过量去除留下的痕迹。图3为硬质合金层电火花线切割表面形貌,表面粗糙度Ra为3.2μm左右。PDC硬质合金层WC的平均粒径小于2μm,从图3可以看到表面存在大量大颗粒WC,这主要是因为金属钴熔点低,金属钴单脉冲去除体积相对WC与金刚石要大得多,从而造成硬质合金层金属钴过量去除。在脉冲放电爆炸力作用下,小粒径WC从硬质合金表面脱落,从而导致电火花线切割后硬质合金层表面存在大量大颗粒WC。
从表面形貌对比分析,采用100μs 的YAG激光进行PDC切割残留层厚度大,表面质量差,而采用电火花线切割进行加工则表面质量相对较好。
2.2 试件抛光对比分析
经激光切割的试件表面残留层与基体材料结合比较松散,利用细砂纸轻微打磨即可将残留层去除。图4为经细砂纸打磨后的试件表面形貌,从图4可以看到在金刚石层与硬质合金层之间存在明显的连续裂纹。图5为利用W2.5的金刚石微粉对激光切割试件抛光4h后的表面形貌。尽管残留层已完整去除,但界面处的连续裂纹依然存在。图6为利用W2.5的金刚石微粉对电火花线切割试件抛光4h后的表面形貌,界面处没有裂纹存在,但从测面形貌可以发现,PDC电火花线切割试件在界面处存在明显的材料过量去除现象,从而在界面处留下明显的凹槽。这主要是PDC在制备过程中在硬质合金与金刚石层界面存在富钴界面层,火花放电时金属钴过量去除而导致界面处存在凹槽。
2.3 试件拉曼光谱对比分析
在空气中加热金刚石到700～800℃,金刚石就会出现氧化失重,并且表面碳原子层会发生相变,转变成非晶态碳或玻璃态碳;当加热到1600℃时,金刚石表层的非晶态碳与玻璃态碳才转变成晶态石墨[10]。
图7为切割前PDC金刚石层拉曼光谱,从拉曼光谱图中可以看到明显的金刚石峰和微弱的石墨峰,说明PDC金刚石层有微量的石墨存在。图8为PDC激光切割表面的拉曼光谱,拉曼光谱存在很强的石墨峰,这说明在激光高能辐射作用下表层金刚石发生相变后大部分转变成了晶态石墨,从而在拉曼光谱图中看到了明显的石墨峰。图9为电火花线切割表面的拉曼光谱,图9中显示金刚石峰与石墨峰均较弱,说明金刚石在火花放电脉冲能量作用下发生相变后转变成了非晶态碳,只有极少的碳转变成了晶态石墨。因此,电火花线切割试件的拉曼光谱石墨峰较弱。
2.4 试件表面残留层与损伤比较
图10为激光切割试件经抛光后的SEM照片。从图10可以明显地看出残留层与石墨变质层(由白色虚线分割),其中里层的石墨变质层材质比较紧密,与金刚石层结合牢固,厚度为20～30μm左右;残留沉积层结构松散,呈层状结构,厚度在30～50μm之间,与石墨变质层结合力很小,通过细砂纸打磨即可去除。石墨变质层与残留沉积层厚度总共可达50～80μm。
图11为经抛光后的电火花线切割试件金刚石层的SEM照片。从图11可以看到平均厚度在10μm以内的变质层,并且变质层与基体材料之间存在明显的裂纹。
从PDC激光切割与电火花线切割试件的残留层与损伤层的对比观察可以得知,脉宽100μs 的YAG激光不适宜于PDC精密切割加工,表面残留层与变质层厚度大,而电火花线切割表面变质层厚度相对要小得多。
3 讨论与分析
3.1 PDC激光切割机理
国内外学者对金刚石膜的激光烧蚀行为进行了大量研究,认为在金刚石的激光切割过程中,首先是受激光辐射的表层金刚石发生相变转变为石墨,然后表层石墨直接升华或与氧气反应生成二氧化碳。在表层石墨被去除的同时,在激光的热影响下,较深层的金刚石又转变为石墨,金刚石的激光去除机理就是这样不断石墨化和不断逐层去除的过程[11]。
金刚石的激光切割效果和实际切割机理与激光单脉冲功率密度有很大关系。只有当激光单脉冲功率大于金刚石或石墨熔化临界脉冲功率密度时才能进行金刚石的烧蚀加工。假设脉冲激光为矩形脉冲,且能量平均分布在圆形光斑内,聚焦时的光斑直径为db,此时单脉冲功率密度为[12]
式中,t0为脉冲宽度,s;f为脉冲重复频率,Hz;Pm为激光平均功率,W。
当脉宽越小,脉冲重复频率越低,焦斑直径越小,激光平均功率越高,则单脉冲功率密度越高。根据给定的激光切割参数可计算得激光脉冲功率密度为3.822×107W/cm2。
当单个脉冲作用在聚晶金刚石复合片表面时,金刚石气化的临界功率密度为
式中,I为金刚石气化临界功率密度,W/cm2;k为导热系数,W/(cm·K);Te为金刚石的气化温度,K;T0为室温,K;A为量纲一吸收率;α为热扩散系数,cm2/s。
天然金刚石对波长1.064μm近红外光的吸收率为0.1左右[13],天然金刚石热物理参数如表1所示(PDC金刚石层是由彼此共价键合的金刚石粉与极少量的金属钴两部分组成,其熔点、沸点、密度与天然金刚石相近,其热扩散系数约为天然金刚石的1/3～1/2[5])。将表1参数代入式(2)可估算出天然金刚石的气化临界功率密度为2.52×107 W/cm2,小于单个脉冲提供的功率密度。由于PDC金刚石层存在大量晶界与金属相,大大增加了金刚石层对透射光的吸收率,并且金刚石表层在激光作用下的石墨化行为将进一步加强对透射光的吸收率和降低表层导热系数,从而进一步提高激光的热作用效果,因此,金刚石层实际对波长1.064μm近红外光的吸收率比天然金刚石大得多,而金刚石的气化临界功率密度将远小于2.52×107 W/cm2。从而得知采用所给定参数进行金刚石复合片的激光切割过程中,焦斑中心的部分金刚石在石墨化后通过气化方式去除,并且有部分金刚石是在石墨化后处于熔化状态下依靠辅助气体的吹力作用而去除,这也是图1中试件切割表面呈现明显的波形条纹的原因。
从传热学可知,热穿透深度为
在聚晶金刚石复合片制备过程中,由于金属钴有往金刚石层渗透的趋势,造成了硬质合金层与金刚石层界面处存在富钴层。由于金属钴与金刚石在热膨胀系数方面存在很大的差异,金刚石热膨胀系数远小于金属钴与硬质合金热膨胀系数。在激光切割过程中,界面层会有大量的金属钴通过气化方式去除,深层的金属钴则不断地往表层渗透。由于金属钴熔点较低,故界面处表层钴金属呈熔化状态。由于热膨胀系数的差异,因而在空气中急剧冷却时导致了界面处连续裂纹的形成。
3.2 PDC电火花线切割机理
电火花线切割加工是通过电级丝与工件之间局部区域的脉冲放电来实现工件材料的切割加工的。电火花线切割过程实际是通过脉冲放电击穿工作液介质形成等离体压缩通道,在瞬时内(微秒级)释放的巨大脉冲能量使等离体压缩通道的温度可高达10 000℃以上,导致等离体压缩通道局部区域的工件材料瞬时熔化与气化,并使等离体压缩通道周围工作液介质瞬时气化,在等离体压缩通道内形成巨大的爆炸冲击波,将熔化的材料从熔池抛出,从而实现材料的脉冲放电去除。
从传热学原理可知,在电火花线切割的电脉冲作用时间内,热影响区深度为140μm左右,但是从图11发现,PDC经电火花线切割后其金刚石层的变质层深度仅为10μm左右,其原因是放电通道作用区域很小(作用区直径为几个微米级),并且工作液介质的冷却作用效果远比空冷要好,因此,PDC经电火花线切割所产生的变质层深度远小于其热穿透深度。
由于PDC界面处存在富钴界面层,而金属钴的熔点低(1768℃),远低于WC的熔点(3143℃)与金刚石的熔点(3550℃),因此,在同样的电脉冲能量作用下与同样的温度场作用下,金属钴的单脉冲去除体积远大于WC与金刚石的单脉冲去除体积,这就是电火花线切割过程中界面处存在凹槽的原因。
从图3中可以看出,经电火花线切割的硬质合金层表面存在大量的大颗粒WC,并且颗粒表面存在明显的圆形凹坑。这是因为金属钴过量去除后,小颗粒的WC在放电爆炸力作用下从表面脱落,从而导致表面只存在大颗粒的WC。图12为PDC电火花线切割试件经金刚石微粉抛光和王水腐蚀后的硬质合金表面形貌,从图12可以看出WC颗粒晶面平整,从而可以得知图3中WC颗粒表面的圆形凹坑是脉冲放电蚀除的结果。
4 结论
(1)采用亚毫秒级的YAG激光进行聚晶金刚石复合片的切割加工,切割表面呈现出波形条纹,并且残留层与变质层厚度大,可达50～80μm,而电火花线切割试件的变质层相对要小得多,只有10μm左右。
(2)电火花线切割造成金刚石层与硬质合金层界面处存在金属钴过量去除现象。硬质合金表面留下大量尺寸较大的WC颗粒,在放电爆炸力作用下,这些大颗粒WC形状破损,表面留下大量圆形凹坑。
(3)激光切割试件的金刚石层与硬质合金层界面存在明显的连续裂纹。电火花线切割试件的金刚石层与硬质合金层界面因金属钴过量去除而留下明显的凹槽。
(4)经激光切割后的金刚石层,其表层碳主要以晶态石墨形式存在,而电火花线切割表面的金刚石层其表层碳主要以非晶态形式存在。
(5)为减小激光切割过程中的热损伤,必须采用更短脉宽的YAG激光或紫外激光,以减小热影响区深度,从而降低热损伤,优化的激光切割参数有待进一步的实验研究。如何减少电火花线切割过程中界面处金属钴的过量去除,目前还没有很好的办法,而界面处材料的过量去除必然会大大增加后续抛光工序的加工难度,这是一个值得深入研究的课题。
(6)通过本文研究可以发现,尽管电火花线切割表面质量略好于近红外激光切割加工,但其切割速度太慢,比激光切割加工低一个数量级以上,不适于聚晶金刚石的大量切割加工。由于微秒级脉宽的近红外激光切割损伤较大,工业化生产中,宜采用脉宽较窄的激光进行切割加工,以降低激光切割热损伤。