电气工程与电子技术学报

水中金属激光钻孔：模型

胡里奥·卡尔

在水中对金属进行激光钻孔是合成具有可调尺寸分布和形态的纳米粒子的重要方法，因为有许多实验参数（能量、频率、波长、脉冲持续时间、脉冲数、脉冲宽度……）决定了所获得的纳米粒子的特性。取决于这些参数的最重要的量之一是坑的体积，从中可以确定产生的纳米粒子的浓度和直径。这项工作表明，用于钻孔的激光脉冲的高斯分布将自身投射到所获得的坑深度与半径依赖性的高斯分布中。该模型的基础是假设通量对激光脉冲宽度的依赖具有与坑深度对坑半径的依赖相同的数学形式。推导出这些依赖关系的相应方程，从而可以推导出高斯坑体积的公式。在本文中，将介绍并比较两种确定坑体积的方法，以验证所获得的结果。第一种方法是基于对陨石坑的观察，将陨石坑看作分段截头圆锥体，然后将它们的体积相加以得到完整的陨石坑体积；第二种方法考虑高斯激光脉冲投影在高斯形状的陨石坑轮廓上的物理特性，其中参数通过对陨石坑轮廓进行修改后的高斯轮廓拟合来确定。通过使用光圈测量激光脉冲的能量，发现激光脉冲腰围ω 0 并不等于陨石坑的腰围半径ω， 无论是在透镜聚焦之前还是之后。通过光学显微镜测量的陨石坑体积与使用修改后的高斯拟合建模的陨石坑体积进行比较，发现 Ag 的体积在±10  % 范围内， ZnO 的体积在±5 % 范围内，金的体积在±15  % 范围内。开发的模型指出，鉴于陨石坑具有高斯轮廓，完整的陨石坑描述有 3 个相关点：表面半径R 0、深度D 和高斯腰围ω， 它等于1 e 2 深度处的半径。用光学显微镜测量的陨石坑体积与用 3 点高斯拟合的模型体积的比较表明，Ag 的差异在±10  % 范围内，ZnO的差异在±15  % 范围内，而 ZnO 的差异在±20 % 为 Au。高斯激光脉冲的通量分布和每个脉冲钻出的连续弹坑孔的面积可以计算出弹坑中的沉积能量，其中关键参数是给定波长和脉冲持续时间下给定金属的烧蚀阈值以及金属目标上的入射能量。获得的能量有下限，下限对应于加热、熔化和蒸发给定质量的金属目标所需的最小能量，上限是给定激光脉冲数下入射到金属目标上的最大能量。上限能量和沉积能量之间的差异等于激光烧蚀过程中向弹坑周围的热扩散和点燃等离子体的辐射。