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激光加工中光化学作用的检测分析方法

2013/1/25    来源:万方数据    作者:宋悠全  魏昕  谢小柱  刘俊宏      
关键字:激光加工  光化学作用  检测分析  
在基于激光加工各种材料过程中存在的光热作用和光化学作用的基础上,综述了激光加工过程中光化学作用的检测分析方法,对光化学作用结果的检测主要通过对激光作用后材料表面的结构、成分、微观形貌、物理化学特性等的变化进行分析;而对光化学作用过程的检测则采用具有时间分辨尺度的质谱仪或光谱仪等对激光加工过程中产生的分子碎片和带电离子的质量分布、能量分布和角度分布进行分析;根据仪器检测的结果,结合材料的化学结构等理论知识综合分析是研究激光光化学作用机理的主要方法。

    激光加工根据激光与物质的作用机制可分为激光热加工和“冷”加工,激光“冷”加工也叫激光光化学加工,是指激光加工材料时,材料中的化学键吸收激光单个光子或多个光子的能量,引发或控制材料间的化学反应,导致材料中化学键的断裂、重组,晶格结构被破坏或者能级跃迁,生成新物质及使部分材料离开本体,来达到加工的目的。

    激光光化学作用在短波长紫外激光加工中更为明显,这类激光的光子能量大,材料分子可能通过“单光子吸收”或“多光子吸收”的方式,使积聚的光子能量大于分子间结合力,材料的化学键被打断;并有效地减少激光热缺陷,因此,激光光化学加工在硬脆材料的精密及超精密加工中应用广泛。

    激光对材料的光化学作用产生新物质或改变其组成及结构,并可能导致基体材料的物理化学特性发生改变。国内外学者对激光光化学作用进行了大量的实验研究,主要依据对激光加工过程的中间产物、最终产物及表面形貌结构等的检测分析,并结合加工参数及材料的相关性质。本文主要介绍了当前激光加工过程中研究光化学作用及过程所使用的各种检测分析方法,并通过研究案例分析了各种检测分析方法所起的作用。

1 激光光化学作用的检测分析方法

    激光光化学作用的机理研究目前主要通过对激光加工前后材料的结构变化、组成成分、物理化学特性等变化的检测和加工表面的微观观察结果分析推断的。

    1.1 加工表面结构变化的检测分析方法

    目前,用于激光加工后材料特别是晶体和聚合物材料的结构变化的主要检测分析方法有:拉曼光谱、红外光谱、X射线衍射、紫外可见光吸收光谱、核磁共振光谱等。

    激光光化学作用生成新的产物主要通过两条途径:一条是离解反应,另一条是分子骨架重排产生的异构化反应。其本质都是材料分子内或分子间的化学键发生了断裂或重组,分子键的断裂总是从最弱的化学键开始,选择适当波长的激光能导致分子的离解或异构化,激光对聚合物加工产生的光化学反应可能还包括了生成自由基、光离子化、环化等过程.采用光谱分析或X射线衍射(晶体)分析方法检测分析激光加工后材料的结构变化,其主要方法是,采集激光作用前后材料的光谱图或X射线衍射图谱,结合材料的结构知识理论及相关标准图谱进行分析,确定激光加工中光化学作用可能导致的材料的结构和物相变化。

    研究248nmKrF准分子激光微细加工聚合物材料的过程中,对PMMA、PTFE等聚合物材料刻蚀前后的拉曼光谱进行分析,发现了PTFE在激光刻蚀后出现了由C=C引起的宽带结构,对应了不同链长和化学式的含氟多烯化合物。姬亚玲在研究准分子激光改性聚合物过程中,对PVDF等材料激光辐照前后的表面采用XRD分析和拉曼光谱检测,发现激光辐照后PVDF样品出现了新的拉曼峰等明显的变化,再用红外光谱检测分析发现激光作用前后PVDF的晶相、化学组分发生了改变;证实248nmKrF准分子激光与PVDF发生了光化学反应,最终导致了PVDF聚合物材料的化学键和分子结构都发生了变化(如图1)。利用光谱检测和X射线衍射分析研究结构变化在激光加工各种高分子材料、晶体材料透明介质的加工中得到广泛应用。

激光辐照前后PVDF样品的光谱图

    图1 激光辐照前后PVDF样品的光谱图

    晶体的掺杂纯度、结晶质量、材料分子结构等对光谱的检测结果有重要影响,分子中原子核间的相对振动和转动所对应的能级差太小使光谱结果难以辨别,当激光作用于材料的厚度有限时使X射线衍射结果会变得更“迟钝”。由于绝大多数激光器光斑能量高斯分布的特点,研究光化学作用致材料的结构变化一般采用多组不同能量密度或刻蚀区不同位置多点对比分析的方法,研究表明,激光加工时能量密度在材料破坏阈值附近检测到的材料结构或物相的变化更倾向于光化学作用所致。

 

责任编辑:程玥
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