瞬间表面热处理技术探析

有证据表明，由于短波长激光脉冲相互作用使波长辐射表面快速加热和冷却可以形成冲击波。这种效应的量值足够大以致使初始生成的热弹应力能够产生声波。

有许多工作者观察到了短波长脉冲激光作用在固体表面产生热弹力的效应（见10.2.3节）^[19-24]。Ready^[25]将这样的瞬时表面热处理机制通过蒸发从表面清除材料的其他机制中区分开来。当激光辐射迅速沉积并被表面吸收，而不是由通常的慢速热膨胀引起的常规加热和收缩时，受热层将施加一个压力在相邻材料上，压力冲击波将穿过材料。例如，当用调Q红宝石激光器时，声音传感器测量在玻璃靶中产生的弹性压力波，它从材料的辐射表面进入材料基体并在材料的非固定的表面作为张力波被反射。如果产生的力足够大以至于超过材料的剪切强度。那么材料清除可以通过物理损坏来实现。然而，激光清洁中更有趣的是现在已经形成的观点，即待清洁处的表面快速膨胀和收缩的结果可以去除表面的积垢同时对基材的损坏可以忽略不计。这意味着激光清洁（例如，从石头表面清除污层）将在可闻声波范围内发生，而不产生等离子体，或者说在确定清洁机制中等离子体不是主要考虑的因素。这导致一种对基材比剥落机制损坏很少的清洁模式。这个依据在由快速热膨胀和收缩效应引起表面压力的强度中给出。

怀特^[24]模拟由重复脉冲激光产生的瞬时表面热处理效应，认为将产生垂直和平行于表面的温度梯度，这些梯度导致体应力产生和从受热表面传播开的应力波的热膨胀。特定的能量密度产生的应力波的大小取决于表面的热弹性力约束。如果受热表面不受约束，应力可能相对较小，但如果受热表面受约束，例如与另一个物体相连，产生的力和波幅可能很大。用表面热处理的一维模型，可推断10⁴W/cm²的能量密度和10⁵Hz的频率作用在304不锈钢时，其最高上升温度为15.5℃，也可推断在表面将产生3.8×10⁷Pa（或380bar）的应力。这是光子压力的1.2×10⁸倍。对不受约束的表面，表面应力仅仅是光子压力的17倍。表面约束的影响应用于激光工程加工如激光冲击硬化（见6.18节）和激光涂覆^[26-29]。对此，已经发现激光冲击强化施加的机械压力会很大，足以能够使金属部件的表面变形。而唯一的条件是用液膜如水或玻璃来约束表面在两种情况下，所用激光能渗透到表层。发现水膜存在时激光清洁效果比水膜层不存在时强^[9]。

下面提出一个问题：在激光清洁附在石像上的有机物的过程中是否有约束效应？如果使用给定波长的激光足够穿透到这些薄膜上，那么通过瞬时表面热处理产生应力波的机制可能是一种对表面施加足够大的力以去除覆盖层的方式。声波的产生将是由于材料中弹性波传播的结果。怀特模拟这种机制认为它存在自约束效应，因为一旦覆盖物被清除，不仅基材吸收率低是有利的，而且限制了去除量，表面应力也非常小。对比Asmus的选择性蒸发理论，这些特征将在表面蒸发机制不那么起作用的情况下会产生好的效果，区域内较为活跃。

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图9.4 由于巨大激光脉冲产生的激波而剥落^[6]

1880年Fernelius^[30]将声光效应的发现归功于Alexander Graham Bell^[31，32]，他发现周期性地作用在固体上的激光束在固体上方的气体中产生一种声波（一种在早期的在很大程度上未被认可的观点，仅与贝尔实验室和激光清洁记载有关系）。在这些条件下，表面吸收光能，并通过非辐射跃迁受热。周期性的加热在材料中产生热波和应力波，这些波可通过连接在试样上的传感器直接探测到，也可以通过把样品放入密封的容器中用麦克风测量气流中产生的声波来探测这些效应。声波被认为是从样品到气体的热流产生的。假定声光信号的振幅就是约束信号波，而声光信号S适合等式S=Aϕ^-n，这里A为常数，ϕ为衰减频率（脉冲频率），n为整数。在表面吸收占主导地位的情况下，n=1。这主要是高的吸收率或高重复率造成的，在下一个脉冲到达前产生的热不能扩散到样品在有光进入试样的相反情况下n=2/3。

Gournay^[33]考虑了液相中脉冲调Q红宝石激光器吸收率。当输入能量密度为50～100MW/cm²，脉冲长度10～50ns，表面温度上升的数量级仅10℃。可获得每秒2×10⁹℃的温度变化率。在水功率密度为100MW/cm²，脉冲密度为30ns脉冲，产生的压力为40个大气压。