纳秒激光材料去除机理

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当纳秒激光加工陶瓷材料时，材料去除机理主要包括光致等离子体过程和光化学过程。在光致等离子体过程中，样品在纳秒激光的辐照作用下，部分气化材料在极强的激光电场扰动下，最外层电子脱离了原子核的约束产生部分电离，进而在材料上方形成部分激光诱导等离子体，其中假设气化材料热力学服从理想气体玻尔兹曼分布，其电离过程可以简化为Saha 方程描述的热电离过程。同时，脉冲宽度时间与等离子体持续寿命相近，等离子体对后续激光形成逆韧致吸收，从而进一步增强了等离子体的电子密度，形成了较致密、高温、高压的等离子体层，而形成的致密等离子体会对人射激光产生强烈的吸收作用，导致大量激光的能量不能传播到样品表面，称为等离子体屏蔽过程。随后，在高温、高压等离子体的推动下，部分去除材料离开样品表面，实现材料的去除和剥离，但是这会产生严重的热效应并造成样品热损伤，通过调控激光等离子体可以改善热损伤。

当光化学作用发生时，材料直接吸收激光光子能量，导致其分子键断裂，材料晶粒被消融成更小的分子并在外力作用下去除，整个过程基本不会产生冗余的残余热量，不会对加工质量造成不利影响。激光光子能量为1

E=hv=hc/λ                                            (1.2)

光化学作用发生的条件是激光光子能量大于材料的化学键，因此光化学作用主要与激光光子能量和作用材料自身的化学键能相关，此时短波长激光由于具有更高的激光光子能量而更具优势。

当分子键能大于激光的单光子能量时，难以被单个光子破坏，但对于很多宽带隙材料，其自身带隙的缺陷，使得激光材料加工时会发生多光子吸收现象，材料分子能同时吸收多个光子的能量，导致其分子键断裂，从而发生光化学作用以实现材料去除。

当纳秒激光材料加工时，两种去除机理多是同时发生的，受加工参数和环境条件的影响，两种去除机理将占据不同的主导地位，从而产生不同的加工效果。