脉冲激光烧蚀技术的研究现状及进展概要VIP免费

脉冲激光烧蚀技术的研究现状及进展1徐兵2，宋仁国（浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室，杭州310014）摘要：本文综述了脉冲激光烧蚀技术的原理、特性及研究现状，并对其发展前景进行了展望。关键词：脉冲激光烧蚀，现状，前景ResearchStatusandDevelopmentofPulsedLaserAblationTechnologyXuBingSONGRen-Guo(TheMOEKeyLaboratoryofMechanicalManufacturingandAutomation，ZheJiangUniversityofTechnology,HongZhou310014)Abstract:Thispaperpresentsasummaryonthetheory,thepropertiesandtheresearchstatusofpulsedlaserablation,aswellastheprospectofthedevelopmentofthistechnology.Keyword:pulsedlaserablation；state；prospect一、引言自1960年第一台激光器问世以来，人们对激光的特性进行了研究，由于激光具有高能量密度、高单色性、高相干性和高方向性等性能，从而使其在各个领域得到了广泛的应用[1-3]。近20年来，激光制造技术已渗入到诸多高新技术领域和产业中，并开始取代或改造某些传统的加工业。尤其是纳米技术的兴起，人们对其加工技术的要求也愈来愈高。而脉冲激光烧蚀技术(Pulsedlaserablation，PLA)就是一种最近发展起来制备纳米粒子，纳米粉和纳米薄膜的高端技术。正是由于脉冲激光烧蚀技术的重要性和诱人的前景，使其成为当今世界上的研究热点之一[4-8]。二、脉冲激光烧蚀技术的原理和特性2.1、脉冲激光烧蚀技术的原理60年代初，人们就发现了激光与物质的相互作用。而脉冲激光烧蚀技术就是基于此物理基础，它是用一束高能脉冲激光辐射靶材表面,使其表面迅速加热融化蒸发,随后冷却结晶的一种制备材料的技术。其工作原理是将具有很高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，此高温几乎1浙江省自然科学基金青年科技人才培养项目R405031资助及浙江省留学回国基金Z011020012E-mail:xubing198287@msn.com地址：浙江工业大学研241号信箱可以融化掉所有的材料。当激光照射到靶材表面时，一部分入射光反射，一部分入射光被吸收，一旦表面吸收的激光能量超过蒸发温度，靶材就会融化蒸发出大量原子、电子和离子，从而在靶材表面形成一个等离子体。等脉冲激光移走后，等离子体会先膨胀后迅速冷却，其中的原子就在靶对面的收集器上凝结起来，如此就能获得所需的薄膜和纳米材料，这就是脉冲激光对靶材的烧蚀全过程。其原理装置示意图如图1所示。图1脉冲激光烧蚀原理装置示意图2.2、脉冲激光烧蚀技术的特性由于脉冲激光烧蚀技术独特的物理过程，在制备材料方面与其它方技术相比，它具有很优异的特点。而目前，脉冲激光烧蚀技术的主要应用是制备纳米材料。因此，我们就重点介绍一下激光烧蚀制备纳米材料的特性。在制备纳米粒子(当粒径更小即纳米粉)时，激光烧蚀技术采用无污染的高能激光束作为热源，可以制备实现包括难熔材料在内的多种材料纳米粒子，并且所制得的纳米粒径很小且粒度分布范围很窄。同时在制备过程中很容易控制纳米粉末的化学成分，获得的纳米粉末纯度也很高。其优点是：(1)制备周期短,一般5-15分钟即可形成纳米尺度的金属粒子；(2)实验装置简单,见图1,操作方便,可适用于不同的金属和试剂；(3)激光使靶材发生气化的时间很短,小于10ms,比激光热蒸发快103倍以上,是直接从固态到气态的相变过程；(4)适合制备任何成分固体靶材的纳米粉末,包括金属、陶瓷、高分子材料及复合材料等,尤其是对多元合金或陶瓷粉末,不会因为组元间物理性能的差异导致纳米粉末成分与靶材有很大差别；(5)制备的液相金属纳米粒子非常稳定,可保持长达6个月的时间；(6)金属纳米粒子的尺寸和性质具有很好的重复性；(7)采用Nd:YAG激光,其脉冲峰值功率高,可以把原子或团簇从金属材料上轰击出来,便于人工控制工艺条件来获得不同纳米尺度的金属粒子。在制备纳米薄膜时，烧蚀技术所表现出的特性如下：(1)靶材广泛,几乎所有的固体、粉末、凝胶等材料都可以作靶材；(2)很适合于绝缘材料制造薄膜；(3)尤其适合于难熔材料制造薄膜；(4)能够沉积质量很高的纳米薄膜；(5)需要的样品少；(6)几乎不需要对靶材进行实验前处理；(7)通过控制实验参数,很容易实现等成分沉积...