CN1661354A - 岩土孔隙介质飞秒激光冷切割的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩土孔隙介质飞秒激光冷切割的方法，涉及岩土孔隙介质微观研究中断面薄片微加工方法。本发明利用飞秒激光切割装置作为切割平台。所述的飞秒激光切割装置由飞秒激光切割器1、基座2、平台3组成。其中飞秒激光切割器1由电脑控制系统1.1、飞秒激光发射器1.2、透镜组合1.3组成；切割步骤依次为：参数设置5、激光定位6、试样制备7、基座定位8、激光切割9。本发明可以对粒径1mm左右的细小颗粒进行切割；不破坏介质内部裂隙的大小及分布特征，获得平整的介质断面，满足岩土微观试验研究的要求；可以根据实验要求，获得连续的介质断面薄片，这对研究岩土介质中的裂隙的发育、发展具有非常重要的意义。

Description

岩土孔隙介质飞秒激光冷切割的方法

技术领域

本发明涉及岩土孔隙介质微观研究中断面薄片微加工方法，具体地说，涉及飞秒激光冷切割的方法。

背景技术

任何材料均不同程度地含有微孔隙和微裂纹。作为孔隙介质，最典型的是岩土材料，因为岩土材料是大自然经过亿万年沉积形成的孔隙介质，存在大量孔隙。孔隙是岩土结构特征的一个重要标志，它是岩土液、气相组份的存在空间，密切影响着岩土介质的含水量、密度、透水性、胀缩性、变形以及强度特性。

目前的孔隙微观研究方法从手段上可以分为两大类：直接法和间接法。

1、直接法是一种通过光学显微镜、电子显微镜等对孔隙介质断面薄片进行微观研究的方法。直接法孔隙显微试验研究需要有岩土材料平整的断面薄片，这些断面薄片通常由机械切割、人工切割或人工打磨等方法获得。这些方法在获得介质断面时，都会对介质产生较大的作用力，容易在孔隙和裂隙中相应地造成应力集中，破坏孔隙周边介质，从而破坏了孔隙原有的真实形态。这种影响对强度较低的介质更为显著。同时，在切割力作用下，切割的介质粉末容易填充到微小孔隙中，并被挤压填实，使得断面原有的孔隙、裂隙分布受到破坏，影响到显微试验结果的真实性。另外，普通断面薄片制作方法难以对细小颗粒进行切割、打磨，因此直接法对研究细小颗粒中的孔隙、裂隙分布效果较差。

2、间接法包括压汞、核磁共振、气体吸附等试验方法。压汞法是将汞通过一定的压力压入到介质孔隙中，并根据压入汞的体积换算出各类孔隙的大小。对于岩土介质，封闭和半封闭的孔隙同样大量存在，这类孔隙在压汞试验时，难以被汞填充，从而无法被测量出来。核磁共振、气体吸附等方法是在一定的压力下将水或者惰性气体压入到介质孔隙中，根据孔隙中水或气体和孔隙壁的相互作用来测量孔隙。虽然水或惰性气体的渗入性能比汞强，但同样难以测量介质中的封闭、半封闭孔隙。同时，间接法在对试样加压时，对于强度较低的岩土介质，在一定的压力下，介质会发生部分破裂或破坏，介质中的部分孔隙一下子被释放出来，使得实验结果产生较大的误差甚至错误。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，而提供一种岩土孔隙介质飞秒激光冷切割的方法。该方法能够在不破坏岩土孔隙介质裂隙分布的条件下，获得介质完整的断面，满足岩土微观显微、扫描试验的要求。所述的飞秒即10^-15秒。

本发明的目的是这样实现的：

1、利用飞秒激光切割装置作为切割平台。所述的飞秒激光切割装置由飞秒激光切割器1、基座2、平台3组成。其中飞秒激光切割器1由电脑控制系统1.1、飞秒激光发射器1.2、透镜组合1.3组成，如图1所示。

2、切割步骤如图2所示，依次为：参数设置5、激光定位6、试样制备7、基座定位8、激光切割9；

①参数设置5

根据实验要求，通过电脑控制系统1.1调节飞秒激光参数，使激光光斑10的大小满足介质显微试验的要求，即与切割线宽一致。

②激光定位6

启动激光器1.2，获取激光光束J，调节透镜组合1.3，将激光引到工作区域内。

③试样制备7

飞秒激光在对岩土材料进行切割时，会产生微小的冲击。在制备切割试样4时，对于粒径较大的试样4，仅需要通过人工打磨的方法使试样在重力状态下保持平衡，不发生滚动；对于粒径较小的试样4，需要用胶水将试样4固定在平整的物体上，如载波片。为了使激光光束J能够容易作用在试样4上，将试样4沿固定物边缘粘贴。

④基座定位8

将制备好的试样4放在平台3上。平台3可以满足试样4前后、左右及上下的高度调节。根据激光光斑10的位置定位基座2的位置。调节平台3，使试样4在整个切割过程中能满足要求，无需重新对基座2定位，避免切割断面不平整。并调节平台3的高度，使激光光斑10的切割位置满足要求。

⑤激光切割9

对试样4进行切割。

本发明有以下主要特性：

1、加工过程的热熔性——这是飞秒加工的最重要特征。飞秒激光在极短的时间和极小的空间内与物质相互作用，由于没有能量扩散的影响，向作用区域内集中注入的能量获得有效的高度积蓄，大大提高了激光能量的利用效率。作用区域内的温度在瞬间急剧上升，并将远远超过材料的熔化和气化温度，使得物质发生高度电离，最终出于前所未有的高温、高压和高密度的等离子体状态。此时，材料内部原有的束缚力已不足以遏止高密度离子，电子气的迅速膨胀，最终使得作用区域内的材料以等离子体向外喷发的形式得到去除。由于等离子体的喷发几乎带走了原有的全部能量，作用区域内的温度获得了骤然下降，大致恢复到激光作用前的温度状态。在这一过程中，严格避免了热熔化的存在，实现了相对意义上的“冷”加工，大大减弱和削除了传统加工中热效应带来的负面影响。

2、加工程度的准确性——对于飞秒激光加工，在每一个激光脉冲与物质相互作用的持续期内，避免了热扩散的存在，在根本上消除了类似于长脉冲加工过程中的熔融区、热影响区、冲击波等多种效应对周围材料所造成的影响和热损伤，将加工过程所涉及到的空间范围大大缩小，从而提高了激光加工的准确程度，即运用飞秒加工，不会“伤及无辜”。

3、加工尺寸的亚微米特性——在飞秒加工过程中，激光与物质之间的能量转移是建立在多光子吸收的基础上的，材料对能量的吸收与光子强度的n次方成正比。由于激光的强度在空间上一般呈高斯型分布，即入射激光经过聚焦后在焦斑中心的位置强度最大，趋向于焦斑边缘时强度逐渐减弱。调节入射激光束，则可以获取到相应的光斑直径在1μm左右，甚至更微小。因此飞秒在用来切割时可以获得宽度为1μm左右的切割线宽。

由以上分析，本发明具有以下优点和积极效果：

1、可以对粒径1mm左右的细小颗粒进行切割；

2、不破坏介质内部裂隙的大小及分布特征，获得平整的介质断面，满足岩土微观试验研究的要求；

3、可以根据实验要求，获得连续的介质断面薄片，这对研究岩土介质中的裂隙的发育、发展具有非常重要的意义。

附图说明

图1-飞秒激光切割装置示意图；

图2-飞秒激光切割流程图；

图3-第一种切割方式示意图；

图4-第二种切割方式示意图。

其中：

J-激光光束；

1-飞秒激光切割器；

1.1-电脑控制系统；

1.2-飞秒激光发射器；

1.3-透镜组合；

2-基座；

3-平台，一种可三维调节的平台；

4-切割试样；

5-参数设置；

6-激光定位；

7-试样制备；

8-基座定位；

9-试样切割；

10-激光光斑；

11-光斑中心轨迹线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明：

由上述飞秒激光的特性可知，飞秒激光的强度集中在μm级的光斑上。对介质进行切割时，也仅对光斑作用位置的介质进行切割，不会伤及周边介质。因此，在飞秒激光对介质进行切割时，不能遮挡入射的激光光束J。在切割时，需要始终保持切割线轨迹中的点的外切线与激光光束J垂直，这样才能保证激光聚焦。

1、在仅可前后左右简单平行移动的平台3上切割时，使平台3在垂直于激光光束J的方向平行移动，即使光斑10在试样4中留下的光斑中心轨迹线11为一组平行线，如图3所示。既可以按照从左到右或从右到左的方向切割，也可从左到右再到左的“S”形方向对试样4进行切割。

2、当平台3可以按照给定曲线进行平动时，将试样4从外至内逐层切割，切割后的光斑中心轨迹线11为螺旋线，如图4所示。

Claims (3)

1、一种岩土孔隙介质飞秒激光冷切割的方法，包括飞秒激光切割装置和激光切割(9)，飞秒激光切割装置由飞秒激光切割器(1)、基座(2)、平台(3)组成；其中飞秒激光切割器(1)由电脑控制系统(1.1)、飞秒激光发射器(1.2)、透镜组合(1.3)组成；

其特征是：

1、利用飞秒激光切割装置作为切割平台；

2、切割步骤依次为：参数设置(5)、激光定位(6)、试样制备(7)、基座定位(8)、激光切割(9)；

所述的参数设置(5)是根据实验要求，通过电脑控制系统(1.1)调节飞秒激光参数，使激光光斑(10)的大小与切割线宽一致；

所述的激光定位(6)是启动激光器(1.2)，获取激光光束(J)，调节透镜组合(1.3)，将激光引到工作区域内；

所述的试样制备(7)是对于粒径较大的试样(4)，通过人工打磨的方法使试样在重力状态下保持平衡；对于粒径较小的试样(4)，需要用胶水将试样(4)固定在平整的物体上；

所述的基座定位(8)是将制备好的试样(4)放在平台(3)上；

所述的激光切割(9)是对试样(4)进行切割。

2、按权利要求1所述的一种岩土孔隙介质飞秒激光冷切割的方法，其特征是：在仅可前后左右简单平行移动的平台(3)上切割时，使平台(3)在垂直于激光光束(J)的方向平行移动，即使光斑(10)在试样(4)中留下的光斑中心轨迹线(11)为一组平行线。

3、按权利要求1所述的一种岩土孔隙介质飞秒激光冷切割的方法，其特征是：当平台(3)可以按照给定曲线进行平动时，将试样(4)从外至内逐层切割，切割后的光斑中心轨迹线(11)为螺旋线。

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