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江苏激光联盟导读：
本研究在双温度模型的框架内研究了电子扩散随强度增加而增强的现象 。 本文的发现加深了对超短脉冲表面结构微观机制的理解 。
摘要
通过有效利用当前可用的平均激光功率 ， 超短脉冲表面结构的工业应用将显著增加 。 然而 ， 在高平均激光功率下 ， 使用多个脉冲处理的表面出现无法解释的退化 ， 这使得这一点很困难 。 基于系统的实验研究 ， 研究了这种表面退化背后的结构形成 。 此外 ， 还提出了一个层次结构形成模型 ， 该模型弥补了激光诱导的周期性表面结构与表面退化之间的差距 。 与基于先前研究的预期相反 ， 当激光注量较高时 ， 观察到钛上的结构形成较少 。 作为一个可能的原因 ， 本研究在双温度模型的框架内研究了电子扩散随强度增加而增强的现象 。 本文的发现加深了对超短脉冲表面结构微观机制的理解 。
1介绍
自20世纪90年代初以来 ， 利用超短激光脉冲进行表面结构的研究一直很深入 。 从那时起 ， 超短脉冲（usp）激光器被认为是一种高精度、灵活且易于自动化的工业材料加工工具 。 然而 ， 由于usp激光器的烧蚀率有限 ， 将其用作制造工具通常不经济 。 特别是 ， 在工业相关金属（如钛、铁或其合金）的多脉冲表面结构中 ， 最大烧蚀速率限制在几立方毫米/分钟 。 因此 ， usp铣削无法满足大多数应用的工业批量生产的成本要求 。
鉴于扫描仪的动力学受到有限加速度的限制 ， 或者更准确地说 ， 受到急动的限制 ， 临界时空脉冲重叠最终导致有限的消融率 。 因此 ， 业界对理解导致表面凹凸不平的结构形成机制非常感兴趣 。 这仍然是一个开放的研究课题 。 尽管之前的一些研究提到了凹凸发生与热量积累的关系 ， 但对于凹凸形成的基本过程仍然没有确切的解释 。
实验装置和程序 。 （a）实验装置的主要方案：LB激光束；XM和YM-由电流计电机控制的x镜和y镜；TL—远心fθ透镜；CS—铜试样；xyz-坐标系 。 （b）铜样品上激光扫描矩形区域阵列的示意图 ， 具有可变的处理参数：样品上的光束扫描速度和激光光斑大小 。 （c）每个方块中激光束扫描路径的示意图：黑色阶梯型线表示扫描激光束在样品上的路径；光束扫描路径上的实心点代表高斯激光脉冲的中心位置；重叠圆表示重叠激光光斑；Δx是激光光斑之间的脉间距离 ， 等于光束扫描速度与脉冲重复率之比；Δy是两条相邻扫描线之间的距离；w0是样品上的激光光斑半径 。
因此 ， 本研究的目的是确定凸点的潜在形成机制 。 为此 ， 我们在钛（Ti）上进行了烧蚀实验 ， 揭示了T c与激光诱导的周期性表面结构（LIPSS）类型（称为凹槽）的对流生长之间的关系 。 通过分析计算和微观结构分析 ， 我们旨在了解凹槽的起源 ， 因为它们是从纳米级LIPS过渡到微尺度凸起的关键结构 。
2层次结构形成模型
图1中介绍了一个层次结构形成模型 ， 以解释中等通量和高重复率下凹凸形成过程中涉及的步骤 。 各个层次级别根据应用脉冲的数量进行组织 。 根据周期和方向 ， 每个表面结构在傅里叶空间（图1中的顶行）中都有一个特征信号 。 低空间频率LIPSS（LSFL）产生s型信号 ， 而凹槽产生g型信号 。 相应的表面结构如图1底部一行（实际空间）的扫描电子显微镜（SEM）图像所示 。 下面将更详细地讨论这些步骤 。
图1 usp激光铣削中作为应用脉冲数函数的层次结构模型 。 顶行显示傅里叶空间中不同结构类型的特征信号 ， 虚线圆圈表示激光的波矢量 。
2.1步骤1：低空间频率结构形成
从光滑表面开始 ， 由于能量沉积的不均匀性 ， 在扫描多脉冲烧蚀过程中逐渐形成周期∧s接近激光波长λL的LSFL（在图1中表示为一次能量调制） 。 这种非均匀能量沉积（IED）的形状是由表面附近强度分布的调制引起的 。 对于金属而言 ， 这种调制主要是由入射光和表面散射光之间的干涉以及表面等离子体激元（SPP）激发引起的 。
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