摘要:

综述 ● 开放获取阅读更多

1.文章导读

激光辅助加工制造方法被广泛应用于材料的切削，增材制造，纳米成型等。在这种加工过程中，材料的温升甚至会达到2000℃以上，因而非常有必要研究材料的热学特性进而明确激光辅助加工的物理机制，为激光辅助加工的优化奠定基础。近期，天津大学精密仪器与光电子工程学院王日东副教授、上海工程技术大学机械与汽车工程学院徐屾副教授、武汉大学动力与机械学院岳亚楠教授和美国爱荷华州立大学王信伟教授在《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《基于拉曼光谱的激光辅助极端制造中材料热学特性的表征》的综述，系统介绍了拉曼光谱在研究激光辅助极端制造中材料的热力学特性的潜力及未来展望。 

2.研究背景

拉曼光谱被广泛应用于材料结构的表征，同时也能够用于温度测量。在其他测量条件恒定的情况下，样品温度的变化会影响其对应的拉曼光谱的性质。随着温度的升高，拉曼光谱的位置会发生红移，光谱的强度会减弱，同时光谱也会变宽。根据上述特性，拉曼光谱可以被用来测量激光辅助极限加工中材料的温度，进而推动激光辅助加工中的物理机制的研究。 

3.最新进展

最新进展主要分为两个部分：拉曼测温法在近场激光加工中的应用，拉曼测温法用于激光辅助加工中的瞬时温度测量。在近场激光加工中，激光和被加工材料的距离很小，甚至小于10 nm。如图1所示，基于拉曼信号于材料温度和结构的相关性，近场拉曼测温法能够在此加工环境中实现非接触式的高精度测量。此外，基于拉曼信号的温度场和应力场可以用于研究激光的能量、偏振、波长等的影响。如图2所示，利用拉曼信号可以实现对材料的热学特性、应力特性及近场聚焦情况进行表征，精度可达20 nm。对于空间形貌有变化的材料而言，在利用扫描式拉曼光谱进行温度和应力测量时，需要考虑空间形貌以及扫描方向的不同所引入的非对称特性对测量结果的影响。图3给出了一种数据处理的方式来消除非对称特性的影响。拉曼测温法的另外一个应用是材料的瞬时热响应的表征。图4介绍了一种被称为Energy transport state-resolved Raman（ET-Raman）的拉曼检测方法。通过构建在空间域和时间域上不同的能量传输状态，该方法被用来研究二维材料的热学特性。该方法也为材料在超快激光加热下的热响应的检测提供了一个新的思路。此外，Raman pump-probe spectroscopy, stimulated Raman scattering和coherent anti-Stokes Raman scattering等拉曼检测技术也可以被用来研究在激光辅助加工中材料的瞬态热响应。

图1. 基于近场拉曼光谱的温度测量系统。经许可使用，版权所有（2011）American Chemical Society

图2. 纳米颗粒下的近场加热的纳米尺度成像。经许可使用，版权所有（2013）Public Library of Science

图3. 扫描式拉曼测量系统。经许可使用，版权所有（2017）The Optical Society (OSA)

图4. 基于拉曼光谱的多状态能量传输差分测量方法。经许可使用，版权所有（2018）Royal Society of Chemistry

4.未来展望

在激光辅助加工中，如果被加工的材料（如金属）没有拉曼信号，可以通过在加工区域中放置有拉曼信号的材料来实现加工环境的温度测量。此外，在很多加工过程中，材料的温度变化非常快，甚至可以达到皮秒量级。在这种情况下，可以利用皮秒或飞秒激光来得到材料的拉曼信号，进而研究材料的热响应以及可能的结构变化。因此，拉曼测温技术在实现材料热响应的高精度空间域和时间域测量方面具有非常好的发展潜力。