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飞秒激光的特性以及为什么昂贵

飞秒激光的特性以及为什么昂贵

飞秒激光是指脉宽为1-1000fs(1fs=10-15s)的激光,其他激光是指脉宽大于1000fs(1ps)的脉冲激光或连续激光。

在激光加工过程中,需要考虑激光波长、能量(或功率)、脉冲宽度、频谱、脉冲频率、偏振、相位等因素,以及环境条件,如聚焦系统、扫描速度和方向、被加工对象材料的组成、结构和形式,甚至材料的温度和氛围。脉冲宽度是受广泛影响的激光参数之一。为了简单起见,下面的讨论假设其他条件基本相似(事实上,很难建立),但脉冲宽度不同。飞秒激光也主要是指目前使用最多的钛宝石、YB3+混合晶体和光纤激光,以及波长在1μm附近的近红外飞秒激光。

激光

飞秒激光系统非常昂贵:

飞秒激光现已用于切割、钻孔、焊接、标记、剥离、修复等加工领域,但应用不是很常见。一方面,在许多情况下,其他激光器也被很好地使用,另一方面,飞秒激光器非常昂贵。飞秒激光器的价格比长脉冲激光器和连续激光器要贵得多。其他参数相似的飞秒激光器和皮秒激光器有时相差数十万元。


飞秒激光昂贵的原因:

1)根据傅里叶的变化,超短飞秒脉冲必须具有钛宝石等宽光谱增益介质。增益介质的带宽决定了脉冲的最终宽度。因此,飞秒激光增益介质的要求很高,主要是钛宝石、部分YB3+混合晶体和玻璃纤维;

2)飞秒激光脉冲通常需要通过锁膜技术来实现。加工大脉冲能量的飞秒脉冲还需要进一步实现低脉冲能量的飞秒脉冲,进一步实现低脉冲能量的飞秒脉冲。飞秒激光系统大功率泵送源,激光系统复杂。


飞秒激光的特性:

飞秒处理有许多优点,首先反映在高精度上,可以忽略基于多光子吸收的特性、阈值效应和处理过程中的热效应(通常强调冷处理)。这里应该注意的是,这是指单脉冲或脉冲频率相对较低,但相对而言,这里忽略了激光波长和物质的特性。

原则上,由于脉冲宽度很短,低脉冲能量可以获得极高的峰值功率(脉冲能量/脉冲宽度)。当物镜进一步集中在材料上时,由于焦点附近的高能量密度,会产生各种强烈的非线性效应。

激光处理可以被认为是一种激光诱导反应,原则上分为诱导分子振动和电子刺激。前者是热反应,后者是与原子壳电子相关的化学键。考虑到材料的能带结构,CO2激光等长波长激光一般采用分子振动引起的热反应,而短波长激光,如准分子激光,由电子刺激引起的化学键切断。

近红外飞秒激光加工采用多光子工艺,即虽然材料在激光波长(ω)中没有线性吸收,但焦点附近的光强很高。短波长(□/n)光通过同时吸收多个(n)光子,在不影响表面结构的情况下,在材料内部照射材料时产生相同的效果,这是飞秒激光加工的另一个优点。

由于各种非线性过程的参与,这种现象往往超出了我们的预测和想象。当飞秒激光与材料相互作用时,我们考虑激光波长中没有线性吸收介质。首先,通过多光子吸收或电离过程,激光能量沉积在电子系统中,然后通过一系列的能量传输和传输过程,导致材料的一系列变化。一般来说,在激光辐射下,电子吸收光子的时间在FS范围内(在脉冲过程中),然后电子声子耦合,能量传递到晶格和晶格达到热平衡的时间在几到几十个PS范围内。随着材料的不同,热扩散和材料熔化的不同,基本上在几十到几百个ps的时间范围内。材料表面的燃烧时间从数百个ps到ns不等。

在纳秒和皮秒激光的作用下,电子气体中沉积的激光能量在激光脉冲照射材料的时间内传递到晶格,导致材料的加热、熔化甚至烧蚀。热效应在过程中起着明显的作用。飞秒激光的脉冲宽度小于电子声相互作用的时间尺度,沉积在电子气体中的激光能量没有时间传递到离子激光脉冲辐射。此时,电子气体的温度很高,但离子的温度很低。材料的冷烧蚀过程抑制了流体的机械效应、热效应等,加工精度很高。许多工作比较了脉冲宽度对激光加工的影响。可以看出,飞秒脉冲加工结构陡峭干净,皮秒激光和纳秒激光具有热效应产生的隆起和残留。由于飞秒激光的高精度和冷加工特性,可广泛应用于微电子、航空航天等工业领域,也可用于近视矫正、脑手术等医疗领域。

当脉冲宽度大于20ps时,研究表明,石英玻璃的损伤阈值与脉冲宽度的平方根成正比,即此时石英玻璃发生热损伤。当脉冲宽度小于10ps时,损伤阈值和脉冲宽度的依赖性明显偏离平方根的规律,材料损伤主要是由雪崩穿透引起的。在强电场的作用下,当电子加速到能量高于带间隙宽度时,它会与价格电子碰撞,产生两个动能较小的导带电子。这种链过程不断重复,电子数量随着时间的推移而增加。如果雪崩产生的电子数密度在脉冲辐射时间内达到临界值,材料就会被击穿。贾天清将量子力学与经典相似性相结合,研究了导带电子的光吸收。根据flux-double模型和keldysh理论,分析了导带电子密度在材料中的演变,解释了激光冲击穿模型、脉冲宽度和烧蚀体积和烧蚀深度。

当飞秒激光作用于金属时,由于飞秒激光的脉冲宽度小于电子声子相互作用的时间尺度,电子吸收的激光能量没有时间传递给离子。因此,电子温度很高,离子温度仍然很低。飞秒激光烧蚀金属是一种不平衡的烧蚀。双温模型和改进的双温模型表明,晶格的温度变化与晶格热传导和电子晶格耦合有关。在高强度(≥1014W/cm2)飞秒激光的作用下,材料的电离在脉冲时间(~100fs)结束前完成,金属和介质的烧蚀机理相同。

飞秒激光是一种冷加工,其实是一种误解

人们经常认为飞秒激光必须是冷处理,事实上,这也是一种误解。飞秒激光处理也与激光脉冲频率有关。当许多飞秒激光脉冲串起准连续脉冲阵列,即脉冲频率高时,飞秒激光处理的剩余热量会产生热积累效应。预计控制重复频率将实现多光子吸收和热效应共存的三维结构制备,进一步扩大微纳结构的类型和材料功能。

诱导结构显示明显的热效应,结构随照射时间显著增加。在飞秒激光与材料相互作用的过程中,光子加热电子度(ps)远小于热扩散的时间尺度(>0.1ns),因此激光加工的剩余热量产生热场。对于低频飞秒激光,由于脉冲间隔长,下一脉冲到达材料时,激光聚焦区的温度已降至环境温度。对于高频飞秒激光,由于脉冲间隔短,当时间短于激光照射产生的热扩散时,当下一脉冲到达样品时,前一脉冲产生的热场尚未完全消散,导致热效应。随着照射时间的延长和激光脉冲数量的增加,激光聚焦区的增加而逐渐平衡,直到动态平衡。虽然激光在高频飞秒照射过程中产生的热场会增加激光诱导微纳结构的尺寸,但对一些微纳结构的形成也至关重要。


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