皮秒飞秒激光器.doc

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皮秒飞秒激光器
高功率皮秒 / 飞秒激光器开创应用新天地 用超短脉冲激光实现冷消融、冷切割 和冷钻孔，是二十多年来人们一直期望能够在工业应用中实现的一个愿景。在过去 十年间进行的一些早期实验中，人们用钛蓝宝石放大器产生超快激光，这些实验已 经证明了超短激光脉冲在精密机械加工领域所拥有的巨大潜能。但是对于精密机械 加工而言，到底多短的脉冲才能满足精密加工的要求呢 , 当激光脉冲作用到材料上 时会发生怎样的反应 , 对脉冲与材料的作用时间范围有何要求 ,
作用原理、作用时间、能量密度 以金属对激光脉冲的吸收为例，其从根本上说是能量从激光脉冲转移到金属材 料的电子的一个能量转移过程。对于持续时间为纳秒级的脉冲而言，电子与所处晶 格之间会发生一个温度平衡过程，并且最终开始融化材料，直到部分蒸发。
在这个过程中，脉冲越短，能量转移到电子的速度越快。在理想条件下，如果 脉冲足够短，那么在电子与晶格之间便没有足够的时间产生温度平衡。接下来， “热电子” （相对于冷晶格而言 ） 有两种方式与晶格作用 : 在一个特征时间后，来自 电子的热量开始向周围的晶格扩散。这种电子 - 声子弛豫时间是物质的一种属性， 其典型值为1~10ps。在大致相同的时间范围内，但稍有些延迟，热电子和晶格之 间发生了突然的能量转移，从而导致相位爆炸，即激活体的蒸发。
从上述解释可以得出以下两个基本结论 :
1、 激光脉冲的持续时间必须足够短，以防止电子与晶格之间发生温度平衡过
程。对于金属和大多数其他材料而言，均要求脉冲持续时间在 1~10ps之间甚至更 短。
2、 由于在热扩散和消融之间有一个时间延迟，因此始终会存有残余热量，即 使是在脉冲最短的情况下
因此，冷加工必须定义为在最小的热扩散情况下进行加工，这要求脉冲持续时 间在 1~10ps 之间甚至更短。
虽然皮秒 / 飞秒激光脉冲较短的持续时间是冷加工的一个必要条件，但是光有 足够短的脉冲还远远不够。如果热电子因为过高的激光能量密度而被“过度加 热”，那么热扩散效应将较为明显，整个加工过程则会转变为热过程。一般来讲， 大约 1J/cm2 的能量密度，是用皮秒 / 飞秒激光脉冲进行消融加工、而不会产生能够 测量得到的热效应的最佳能量临界点，即此时具有最佳的低热穿透深度。
线性吸收与非线性吸收 然而要实现最佳能量临界点并非易事。除了上述提到的决定热影响的因素外， 光学穿透深度决定了激光脉冲的哪个部分在什么深度被吸收。
对于温和消融而言，光穿透深度应该在 1µm 的区域甚至更浅，这主要有 三个原因 :
1、光穿透深度决定消融深度。深度太大的消融将不再被视为温和消融，因为 其将导致粗糙的表面和边缘，特别是对于硬而脆的材料而言，还会有微裂纹产生。
2、若光穿透深度过大，消融过程将变得效率低下，因为大多数激光脉冲可能 不能被吸收，能量浪费较大。
3、针对基底的选择性消融材料 （ 如薄膜太阳能电池的绝缘体上的薄膜刻图 ） ， 光的穿透深度过大可能造成基底材料的损害。
飞秒脉冲和皮秒脉冲的线性吸收所产生的影响往往被忽视，因为脉冲的峰值功 率非常高，以至于贯穿多光子过程的非线