發布日期：2022-10-09 點擊率：71
技術的改進已經使超快激光器走出實驗室，進入工業和醫藥行業執行精準細致的加工任務。超快激光器的成功之處在于其能將光能集中到皮秒至飛秒的時間間隔內，并將光聚焦到小空間上。這種聚焦為“在不破壞底層區域的情況下，從材料表面快速、清潔地燒蝕材料”提供了所需要的高光強。
對加工像玻璃或陶瓷這樣的易碎材料，或者是在渦輪葉片這樣的硬質金屬上清潔地鉆孔這樣的應用來說，這種精確性和精細性的結合至關重要。這些優勢已經為超快激光器在醫療領域贏得了一席之地，其不但可用于制作精細的生物醫學設備，如用于冠狀動脈搭橋手術中的支架；還能執行精細的醫療手術，如角膜手術。
激光與材料的相互作用
功率強度和脈寬是影響激光束如何與材料相互作用的關鍵因素。在長時間范圍內，材料吸收一部分光能，將其轉換成熱量，熱量會通過材料傳導。如果光束足夠強，便能熔化材料，熔化的材料會將熱量傳遞到周圍區域。對于短至納秒級時間尺度的脈沖加工而言，吸收、熔化和熱傳導占主導地位。
當脈沖能量以短于約100ps的時間尺度傳輸時，根據材料的不同情況會發生顯著變化。隨著脈沖峰值功率的增加，峰值強度急劇上升。例如，持續1ps的微焦級脈沖的峰值功率為1MW，當它聚焦為5μm的光斑時，可產生約4×1012W/cm2的峰值強度，這足以剝離外層電子。激光與材料相互作用的時間是如此之短，以至于離子在能夠將能量傳導到底層材料之前，就已經從材料表面被燒蝕掉了。與光強較低的情況相比，在這種燒蝕模式下，能量傳導受材料吸收的影響較小，但是也會受到材料種類和激光波長的影響。例如，紫外脈沖比近紅外脈沖更適合切割玻璃之類的透明材料，而近紅外脈沖在玻璃中的傳輸性能更好。
這種加工通常也被稱為“冷燒蝕”。雖然材料表面在片刻間就變得非常熱，但是離子在其加熱或損傷底層材料之前就已經被燒蝕掉了，如圖1所示。因此皮秒或飛秒激光脈沖能夠從精細或易碎材料中無損去除非常薄的表層。波蘭研究人員已經使用強度僅在燒蝕閾值之上的70ps脈沖去除油畫表面的透明清漆，并利用光學相干斷層掃描技術監控整個去除過程。美國Photonics Industries公司的Joyce Kilmer說：“皮秒激光器能夠將圖案寫到火柴頭上，卻不會讓火柴點燃?！?/p>
圖1：納秒脈沖和飛秒脈沖加工效果的對比。左圖中的納秒脈沖在燒蝕前會熔化表面材料，并將熱量傳遞到鄰近區域，從而影響許多材料。右圖中的飛秒脈沖通過多光子離子化燒蝕材料，只有很少的熱量傳遞到鄰近的材料中。
一般而言，由于皮秒脈沖的能量通常更高，因此皮秒燒蝕的速度更快；相比之下，飛秒燒蝕往往會產生更平滑、更精密的加工表面。實際加工性能取決于脈沖參數、目標材料以及其他方面的考慮。由于燒蝕是將一團材料爆散到光路中，因此重復頻率是很重要的因素。對于兆赫茲的重復頻率，可能在下一個脈沖發射之前，上一個脈沖產生的材料還沒有足夠的時間消散。千赫茲的重復頻率有足夠的時間讓材料消散，所以對精密去除材料可能更加有效。
適用的材料
冷燒蝕加工適用于一系列材料，包括金屬、半導體、玻璃、晶體和陶瓷。冷燒蝕的典型能量密度閾值在0.05~5J/cm2的范圍內，表1中給出了材料對摻鐿光纖激光器和鈦寶石激光器發射的飛秒脈沖的典型閾值。
超短脈沖對切割或加工易碎材料特別有吸引力，包括玻璃、陶瓷、硅和CIGS（用于薄膜太陽能電池的銅銦鎵硒）。利用燒蝕鉆孔或切割玻璃可以避免產生裂縫，并獲得尖銳、清潔的邊緣和表面，如圖2所示。對于液晶顯示器或手機上使用的超薄玻璃，可以通過沿著一系列冷燒蝕激光孔洞對玻璃進行機械擠壓切割成形。這是由于燒蝕是一種具有高閾值的非線性過程，經過聚焦的脈沖，僅在焦斑的中心處的激光功率超過燒蝕閾值，這部分激光脈沖可以鉆出小于衍射極限的孔。
圖2：超快脈沖實現玻璃的精細加工。a）利用10μJ的355nm脈沖在玻璃上鉆出的440μm孔；b）利用355nm脈沖在Pyrex玻璃上銑出2mm的正方形區域。
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