基於拉曼光譜的激光輔助極端製造中材料熱學特性的表徵
作者
王日東、徐屾、嶽亞楠、王信偉
作者單位
天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室
上海工程技術大學機械與汽車工程學院
武漢大學動力與機械工程學院
美國愛荷華州立大學機械工程系
激光輔助加工製造方法被廣泛應用於材料的切削，增材製造，納米成型等。在這種加工過程中，材料的温升甚至會達到2000℃以上，因而非常有必要研究材料的熱學特性進而明確激光輔助加工的物理機制，為激光輔助加工的優化奠定基礎。近期，
拉曼光譜被廣泛應用於材料結構的表徵，同時也能夠用於温度測量。在其他測量條件恆定的情況下，樣品温度的變化會影響其對應的拉曼光譜的性質。隨着温度的升高，拉曼光譜的位置會發生紅移，光譜的強度會減弱，同時光譜也會變寬。根據上述特性，拉曼光譜可以被用來測量激光輔助極限加工中材料的温度，進而推動激光輔助加工中的物理機制的研究。
最新進展主要分為兩個部分：拉曼測温法在近場激光加工中的應用，拉曼測温法用於激光輔助加工中的瞬時温度測量。在近場激光加工中，激光和被加工材料的距離很小，甚至小於10 nm。如圖1所示，基於拉曼信號於材料温度和結構的相關性，近場拉曼測温法能夠在此加工環境中實現非接觸式的高精度測量。此外，基於拉曼信號的温度場和應力場可以用於研究激光的能量、偏振、波長等的影響。如圖2所示，利用拉曼信號可以實現對材料的熱學特性、應力特性及近場聚焦情況進行表徵，精度可達20 nm。對於空間形貌有變化的材料而言，在利用掃描式拉曼光譜進行温度和應力測量時，需要考慮空間形貌以及掃描方向的不同所引入的非對稱特性對測量結果的影響。
圖3給出了一種數據處理的方式來消除非對稱特性的影響。拉曼測温法的另外一個應用是材料的瞬時熱響應的表徵。圖4介紹了一種被稱為Energy transport state-resolved Raman（ET-Raman）的拉曼檢測方法。通過構建在空間域和時間域上不同的能量傳輸狀態，該方法被用來研究二維材料的熱學特性。該方法也為材料在超快激光加熱下的熱響應的檢測提供了一個新的思路。此外，Raman pump-probe spectroscopy, stimulated Raman scattering和coherent anti-Stokes Raman scattering等拉曼檢測技術也可以被用來研究在激光輔助加工中材料的瞬態熱響應。
在激光輔助加工中，如果被加工的材料（如金屬）沒有拉曼信號，可以通過在加工區域中放置有拉曼信號的材料來實現加工環境的温度測量。此外，在很多加工過程中，材料的温度變化非常快，甚至可以達到皮秒量級。在這種情況下，可以利用皮秒或飛秒激光來得到材料的拉曼信號，進而研究材料的熱響應以及可能的結構變化。因此，拉曼測温技術在實現材料熱響應的高精度空間域和時間域測量方面具有非常好的發展潛力。
王日東，天津大學精密儀器與光電子工程學院副教授。先後在天津大學獲學士、碩士學位，美國愛荷華州立大學（Iowa State University）獲博士學位，並獲得愛荷華州立大學的傑出科研獎。主要研究方向為微納尺度傳熱、微納生物傳感器。在Advanced Science, Carbon, Nanoscale等期刊上發表論文20餘篇。
上海工程技術大學副教授。先後在華東理工大學獲學士學位，復旦大學獲碩士，美國愛荷華州立大學獲博士學位。主要從事微米/納米量級的能量傳輸理論和實驗研究、新材料和複雜納米結構的傳熱行為以及光熱多物理場耦合等方面的基礎研究。主持上海高校青年東方學者人才計劃項目1項，重點參與國家自然科學基金面上項目1項，在Nanoscale, Optical Express, Optical Letters, Nanotechnology等高水平雜誌共發表SCI論文38篇，引用300餘次，出版專著一部，申請受理專利1項。另擔任多個國際期刊的審稿人。
武漢大學動力與機械學院教授。主要從事微納米材料熱物性及熱測量技術方面的研究，先後主持國家自然科學基金青年基金、面上項目和海外合作基金項目及其他多項省部級基金課題和企業研發類項目。發表SCI論文60餘篇，包括封面文章2篇和ESI高被引文章1篇，引用1300餘次，申請/授權受理發明專利9項。擔任中國工程熱物理學會傳熱傳質分會青年工作委員會委員、中國動力工程學會武漢大學聯絡人、中國電力教育協會能源動力工程學科教學委員會委員、湖北省電機工程學會汽輪機專業委員會副秘書長和美國邁阿密大學機械與製造工程系兼職教授。擔任Journal of Physics D: Applied Physics雜誌Advisory Panel Member以及40多個國際知名期刊的審稿人。
美國愛荷華州立大學機械工程系終身教授。主要從事微納米材料的傳熱研究，特別是對於聲子和熱載流子的能量輸運研究代表了對於這兩種非常重要的熱傳輸過程的前沿研究。主編及參編了7本專著，在國際權威學術期刊Advanced Materials、 ACS Nano、 Nano Letters、Small、ACS Applied Materials and Interfaces等發表學術論文158 篇（近五年54篇），SCIE引用共計超4500次（他引超過3600次），單篇文章最高被引用超過1400次（H 指數: 30）。
鑑於他在熱科學領域的突出貢獻，被評為AIAA（美國航空航天學會）Associate Fellow和ASME (美國機械工程師協會）Fellow。他同時是國際學術期刊《International Journal of Thermophysics》《Journal of Laser Applications》Senior Editor和《Scientific Reports》等3家期刊的編委。由於他在熱學領域的傑出貢獻，獲得了美國普渡大學的首屆Viskanta Fellow獎（2013 年），愛荷華州立大學的Mid-Career Research Award (2014年）和ISU Award for Outstanding Achievement in Research (2018年）。
來自： 極端製造 IJEM，江蘇激光聯盟轉載