MHz 脉冲串模式超短脉冲激光在薄金属箔冲击钻孔中的烧蚀效率研究

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Ablation efficiency in MHz burst-mode ultrashort-pulse laser percussion drilling of thin metal foils

　　

研究人员研究了采用 300 fs、1030 nm 脉冲的 MHz 脉冲串（burst）模式超短脉冲激光在 50 μm 厚不锈钢（SS）、钛（Ti）、铝（Al）和铜（Cu）箔冲击钻孔（percussion drilling）中的基于深度的烧蚀效率。利用基于光电二极管的原位（in situ）方法，测量了在给定每个脉冲串内子脉冲数（Np）下平均每脉冲串烧蚀深度随通量（fluence）的变化，并确定了最大烧蚀效率及相应的最佳通量。研究人员将这些结果与理论热积累（heat-accumulation）模型进行比较，以评估残余加热对钻孔响应的影响。实验数据中观察到的最佳通量和最大烧蚀效率随 Np 变化的总体趋势，大体遵循模型预测的基线行为。然而，仅热积累无法解释所有观察到的行为，还必须考虑羽流介导效应（plume-mediated effects），如屏蔽（shielding）和再沉积（re-deposition），以及熔融辅助去除（melt-assisted removal）和再分布（redistribution）。尽管研究人员未直接测量这些效应，但文献报道的趋势与观察到的对热积累模型的偏离相一致。

研究背景与问题

超短脉冲激光因可实现激光—物质相互作用的精确时空控制，被广泛用于高精度微加工，包括钻孔、切割、结构化与表面功能化。在冲击钻孔中，大量脉冲以足以形成通孔的通量作用于同一位置，可用于高密度过滤及涡轮叶片、燃烧室喷嘴等航空航天部件的高精度微孔制造。金属中激光能量的初始吸收由自由电子通过逆轫致辐射（inverse bremsstrahlung）完成，随后电子—晶格能量转移常用双温模型（two-temperature model）描述，其特征时间包括电子冷却时间、晶格加热时间与脉冲持续时间，晶格加热时间依材料不同从数百飞秒至 100 ps 以上。当脉冲持续时间短于晶格加热时间时，能量沉积可在电子与晶格达到热平衡前结束，热与相变过程可在脉冲之后继续。烧蚀动力学跨越多个数量级时间尺度，从相变、等离子体/蒸气羽流膨胀（皮秒至纳秒）到颗粒与熔体动力学（纳秒至微秒），热扩散、冷却与再凝固与之重叠。因此，飞秒（fs）与少皮秒（ps）脉冲相比长纳秒（ns）脉冲可实现更高精度加工并减小热影响区。

在微加工中，生产率通常以材料去除率表示，加工质量则由表面粗糙度、热影响区、重铸层与孔形貌评估。烧蚀响应取决于脉冲持续时间、加工环境、波长、重复频率与通量。例如，脉冲持续时间从 10 ps 降至 250 fs 可使铜（Cu）的比去除率提高约 75%、不锈钢（SS）提高约 40%。对高斯光束，比去除率 ΔV/ΔE 可表示为 (δ_eff/2F)×ln²(F/F_th)，其中 δ_eff 为有效能量穿透深度，ΔV 为去除体积，ΔE 为去除该体积所需能量，F 为入射峰值通量，F_th 为阈值通量。金属阈值通量在 1 μm 波长下可低至 0.05 J/cm2，在更短波长下可进一步降低。该简化对数烧蚀模型的最大比去除率出现在最佳通量 F_opt=e²F_th≈7.4F_th，文献报道平面金属超短脉冲微加工的最佳峰值通量约为 Cu 2.2–3.35 J/cm2、Al 约 1.6 J/cm2、不锈钢 0.4–0.5 J/cm2。

为使比去除率最大化，通量应保持在相对较低的最佳通量附近。因此，在固定光束尺寸与重复频率下提高平均功率会使过程超过 F_opt，导致比去除率下降。随着工业超短脉冲激光系统平均功率大幅提升，高效利用功率需将能量分配以保持通量接近最佳值，可通过增大光斑尺寸（牺牲空间分辨率）、将光束分束为多个平行光斑（需额外光束整形光学元件）、提高重复频率（扫描过程需相应提高扫描速度，可能受扫描器性能限制）或使用脉冲串（将可用能量分配到若干时间上分离的脉冲）实现。

在脉冲串模式中，能量为 E_p 的单个脉冲被替换为 N_p 个紧密间隔子脉冲组成的脉冲包，总能量相同，标称子脉冲能量为 E_p/N_p。脉冲串内重复频率 f_b 远高于脉冲串间重复频率 f。脉冲串激光器可工作在 MHz 或 GHz 区间，对应脉冲串内延迟分别为纳秒与皮秒量级。单脉冲模式的较低重复频率允许连续脉冲间更多热弛豫，而脉冲串模式的高脉冲串内重复频率下，若脉冲串内间隔足够短，前序子脉冲的残余热会提高辐照区局部温度，使同一脉冲串内后续子脉冲去除材料所需额外能量减少，从而提高脉冲串烧蚀效率，且子脉冲数可调节热积累以适应材料响应。同时，对于足够短的脉冲串内延迟，后续子脉冲可与前序子脉冲产生的烧蚀产物和熔融材料相互作用：光束路径中或附近的等离子体、蒸气、颗粒与液滴可通过吸收、反射或散射衰减后续子脉冲，再沉积可将喷射材料返回表面；残余加热可促进熔体形成，后续子脉冲可能导致熔体喷射或再分布，留在表面的再分布材料随后再凝固。这些过程与热积累共同作用，可同时影响到达表面的能量与净材料去除，其相对重要性取决于材料、通量、烧蚀几何、脉冲串内脉冲间隔与每脉冲串脉冲数。

依脉冲串区间不同，脉冲串模式激光加工可能偏向烧蚀效率与去除率或表面质量。GHz 脉冲串加工已被证明可改善抛光与表面质量，近期 MHz 脉冲串研究报道在表面加工与铣削中烧蚀效率与去除率提高。近期针对不锈钢的实验与建模表明，在高通量下这可归因于将总脉冲能量分配到脉冲串内若干子脉冲，从而避开单脉冲烧蚀响应中效率较低的高通量区间。由于已报道的 MHz 脉冲串钻孔研究有限，对薄金属箔 MHz 脉冲串冲击钻孔的系统研究仍不足，尤其是材料响应如何影响烧蚀效率随 N_p 从低到高增大的演变。

为此，研究人员针对 50 μm 厚 SS、Ti、Al 与 Cu 箔，采用 300 fs、1030 nm 脉冲，研究 MHz 脉冲串冲击钻孔的基于深度的烧蚀效率。利用基于光电二极管的原位方法，测量在给定 N_p 下平均每脉冲串烧蚀深度随通量的变化，确定最大烧蚀效率及相应最佳通量，并与理论热积累模型比较，以评估残余加热对钻孔响应的影响。实验数据中最佳通量与最大烧蚀效率随 N_p 的总体趋势大体遵循模型预测的基线行为，但仅热积累无法解释全部观察结果，羽流介导效应如屏蔽与再沉积，以及熔融辅助去除与再分布也须考虑；尽管未直接测量这些效应，文献报道的趋势与观察到的对热积累模型的偏离相一致。

关键技术方法

研究采用脉冲持续时间 300 fs、基频波长 λ=1030 nm、光束质量因子 M²≈1.07、最大平均输出功率 20 W、最大脉冲能量 60 μJ、脉冲串间重复频率 f=333 kHz 的飞秒激光器（Satsuma，Amplitude），在该重复频率下可产生最多含 120 个子脉冲的脉冲串，最大脉冲串内重复频率 f_b=42 MHz，脉冲串模式下标称等能量分配总脉冲串能量。激光经焦距 f_L=50 mm 透镜聚焦，用 D-squared 法测得束腰半径 w₀=12.9±0.15 μm，对应瑞利长度约 0.5 mm。实验材料为 50 μm 厚 SS、Ti、Al、Cu 箔（材料成分见补充材料），全部四种材料在 f_b=42 MHz 下测量，SS 与 Al 另在 21 MHz 下测量以考察脉冲串内重复频率影响；箔材夹于两块带对齐 4 mm×4 mm 方孔的黄铜板间并夹紧保持平整，安装于亚微米定位分辨率三轴电动平台，孔中心间距 300 μm。采用原位透射检测：光电二极管（PD；Thorlabs PDA10A2，约 2.3 ns 上升时间）置于箔后，16 mm 焦距透镜收集透射光，PD 接示波器（LeCroy 64MXI-A，600 MHz 带宽，10 GS/s）与激光门控系统；门控接收设定最长加工时间 1 s 的信号发生器 TTL 信号与 PD 信号，PD 信号超过预设阈值时 TTL 门切换至低态终止辐照。由示波器测得钻孔时间 t，按 N_burst=f×t+1 计算穿孔所需脉冲串总数；低通量下 PD 信号在稳定穿孔前出现重复亚阈值峰，与熔融材料导致的出口瞬态开闭一致，此时钻孔时间在后期处理中手动校正至首个明显可辨的亚阈值 PD 峰起始点。平均每脉冲串烧蚀深度 Δd=h/N_burst=h/(f×t+1)，其中 h 为箔厚；高斯光束峰值通量 F=2P/(fπw₀²)=2E_p/(πw₀²)，E_p 在 N_p=1 时为单脉冲能量、在 N_p>1 时为总脉冲串能量；基于深度的烧蚀效率定义为 η=Δd/F。选取孔采用扫描电子显微镜（SEM；JEOL JSM-6500F 与 Thermo Fisher Scientific Apreo 2S LoVac）从入口面、出口面及机械制备的横截面成像，用于检查内部孔形貌及重铸与再凝固材料的存在。

研究结果

1. 引言所述研究定位：已有 MHz 脉冲串钻孔研究有限，薄金属箔 MHz 脉冲串冲击钻孔的系统研究不足，尤其缺乏 N_p 从低到高变化时材料响应如何影响烧蚀效率演变的认识，本研究据此展开。

2. 方法：研究人员采用基于时间的原位测量替代传统预定脉冲数后离位显微或轮廓测量的方式，通过已知厚度薄箔穿孔时间与脉冲串间重复频率计算穿孔所需脉冲串数，直接估算平均轴向每脉冲串烧蚀深度并计算基于深度的烧蚀效率；该方法特别适用于薄金属箔，因其小孔尺寸与通孔几何使离位深度或体积测量难以可靠进行。

3. MHz 脉冲串冲击钻孔的简单标度律：热积累模型将单脉冲后残留于工件的残余热近似为瞬时高斯表面热源，在均质半无限固体热物理性质恒定的假设下给出光束中心表面温度随时间的演化，并引入由束腰半径与热扩散率决定的特征热扩散时间 β 及材料相关热响应系数 Γ；对所用束腰半径与材料，β 在 Al 与 Cu 为 0.2–2.2 μs、Ti 与 SS 为 2.7–19.4 μs，Γ 在 Al 与 Cu 为 1.3×10^?2–0.1 K s^3/2/J、SS 与 Ti 为 0.5–1.5 K s^3/2/J。42 MHz 与 21 MHz 下子脉冲间隔分别为 24 ns 与 48 ns，比 Al/Cu 与 SS/Ti 的特征热扩散时间分别短约 5–90 倍与 60–800 倍，故第二子脉冲到达前表面温度不能充分弛豫。将各等能量子脉冲残余温升线性叠加，得到第 N_p 个子脉冲到达前的积累温升表达式，其中含无量纲热积累求和项 S_Np?1(βf_b)；以中点法则将离散求和近似为积分并用代换求解，得到含两个无量纲比值的解析近似，分别比较有效脉冲串持续时间与特征热扩散时间、子脉冲间隔与同一热扩散时间。据此区分短脉冲串、中间脉冲串与长脉冲串三种情形，并给出反正切函数的相应近似及各情形下温升的表达式。结果表明：在子脉冲能量 E_p/N_p 固定时，ΔT 初期约按 N_p^1/2 增大并最终饱和；而在总脉冲串能量 E_p 固定时，短与中间脉冲串情形下约按 N_p^?1/2 减小，长脉冲串极限下趋于 N_p^?1 依赖。

4. 最佳子脉冲通量：研究人员将最佳子脉冲通量视为积累热状态 T_Np^?=T₀+ΔT_Np^? 的函数，在单脉冲参考态 T₀ 附近作一阶展开，引入最佳子脉冲通量对温度的有效敏感度 χ_opt>0，并结合热积累表达式得到最佳子脉冲通量随 N_p 变化的表达式，其中热响应系数 Λ 综合了残余热份额 η_res 与 χ_opt。该式在 N_p=1 时恢复单脉冲极限。利用温升的领头阶近似可得分情形的最佳子脉冲通量标度：固定 f_b 时，短与中间脉冲串情形下 F_b^opt 的领头 N_p 依赖形式为 1/(1+const√N_p)，长脉冲串情形下渐近趋于常数 F₁^opt/(1+2Λf_b^3/2B)。

5. 最大烧蚀效率：对每个 N_p，F_opt 为 η 达到最大值 η_max 的脉冲串通量，η_max=Δd(F_opt)/F_opt=Δd(F_opt)/(N_pF_b^opt)。单脉冲辐照下烧蚀深度常用对数关系 Δd=δ_effln(F/F_th) 描述，超短脉冲下有效穿透深度可显著超过光学穿透深度，因电子介导能量输运使沉积能量超出光学吸收深度。对该理想对数关系，代入 η 定义并令 dη/dF=0 得基于深度烧蚀效率的最佳通量 F₁^opt=eF_th，此时 Δd(F₁^opt)=δ_eff。对 MHz 脉冲串辐照，Ome?aca 等观察到在近似恒定子脉冲通量下烧蚀深度随子脉冲数近线性增加，并表示为 Δd(F,N_p)~N_pδ_effln((F/N_p)/F_th)；对该理想对数表达式最大化 η 给出恒定的最佳与阈值通量比 F_b^opt=eF_th，此时 ln(F_b^opt/F_th)=1，故 Δd(F_opt)~N_pδ_eff，对应每个新增子脉冲贡献相同有效深度的加性极限。实验观察到的脉冲串深度未必遵循严格加性标度，研究人员因此将分数增量 1/i 乘以无量纲唯象标度参数 ε>0，以在保持函数形式的同时量化对加性标度的偏离，并说明 ε 仅用于量化偏离、不归因于特定物理机制。

讨论与结论

实验数据中最佳通量与最大烧蚀效率随 N_p 的总体趋势大体遵循热积累模型预测的基线行为，表明残余加热是影响 MHz 脉冲串冲击钻孔响应的重要机制：脉冲串内子脉冲间隔远短于特征热扩散时间，前序子脉冲残余热提升后续子脉冲作用前的表面温度，从而降低最佳子脉冲通量并影响效率演变。然而，仅热积累无法解释全部观察行为。羽流介导效应，包括等离子体、蒸气、颗粒与液滴对后续子脉冲的吸收、反射或散射造成的屏蔽，以及喷射材料再沉积回表面，会改变到达表面的能量与净材料去除；残余加热促进的熔体形成以及后续子脉冲导致的熔体喷射与再分布、再凝固，也会影响净去除。这些过程与热积累共同作用，其相对重要性取决于材料、通量、烧蚀几何、脉冲串内脉冲间隔与每脉冲串脉冲数。在高脉冲数下，熔体再分布与屏蔽可能促成饱和。尽管研究人员未直接测量这些效应，文献报道的趋势与观察到的对热积累模型的偏离相一致。研究结论为：MHz 脉冲串模式使 SS 与 Ti 的最大烧蚀效率提高超过 420%；Al 与 Cu 在偶数与奇数子脉冲数下呈现交替的烧蚀效率；残余热积累降低最佳通量，熔体动力学影响深度增益；测得基线趋势与热积累模型预测一致；高脉冲数下熔体再分布与屏蔽可能促成饱和。该研究为薄金属箔 MHz 脉冲串冲击钻孔中热积累与羽流/熔体介导效应的相对作用提供了定量基线与标度框架，对高平均功率超短脉冲激光的高效利用与微孔加工参数选择具有指导意义。