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飛秒激光與其它激光加工有什么不同?

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飛秒激光與其它激光加工有什么不同?

內容提示:飛秒激光目前還沒有普及開來,很多人覺得飛秒激光很神奇,導致會出現一些誤解,那么飛秒激光和普通的激光加工有什么不同呢?

  這是一個受普遍關注卻不是只言片語就能回答的問題,就像貌似簡單的玻璃為什么是透明的問題一樣。我們需要根據理論從原理上進行分析和闡述。在這里,我們指的飛秒激光是指脈寬為1-1000fs(1fs=10-15s)的激光,其它激光是指脈寬大于1000fs(1ps)的脈沖激光或連續激光。

  激光加工過程中需要考慮激光的波長、能量(或功率)、脈寬、頻譜、脈沖頻率、偏振、相位等因素,同時還要考慮聚焦系統以及掃描速度和方向,被加工對象物質的組成、結構和形態,甚至是物質所處的環境條件如溫度和氣氛。脈寬是其中一個非常重要的具有普遍影響的激光參數。

  為簡單起見,下面的討論假設其它條件基本相近(其實這個條件很難成立),只是脈寬不同的情形。飛秒激光也主要是指現在用得最多的鈦寶石以及Yb3+摻雜晶體和光纖激光器為主,波長在1μm附近的近紅外的飛秒激光。

  飛秒激光系統很貴

  飛秒激光現在已開始用于切割、鉆孔、焊接、打標、剝離、修復等加工領域,但應用還不是很普遍。一方面是很多情形其它激光也用得很好,另一方面是飛秒激光很貴。飛秒激光的價格比長脈沖激光和連續激光要貴很多。其它參數相近的飛秒和皮秒激光有時也會相差幾十萬元。

  飛秒激光貴的原因主要有:

  1)根據傅里葉變化關系,要產生超短飛秒脈沖必須具有寬光譜的增益介質,譬如鈦寶石。增益介質的帶寬決定了最終能實現的脈寬。所以用作飛秒激光增益介質的要求會高一些,現在主要是鈦寶石,部分Yb3+摻雜晶體和玻璃光纖;

  2)飛秒激光脈沖一般需要通過鎖膜技術來實現,用來加工的大脈沖能量的飛秒脈沖還需要進一步將低脈沖能量的飛秒脈沖通過脈沖展寬-放大-壓縮的再生放大技術來實現,飛秒激光系統要用到加工精細的啁啾鏡等光學元器件以及高功率抽運源,激光系統比較復雜。

飛秒激光與其它激光加工有什么不同?

  飛秒激光特性很好

  飛秒加工有不少優勢,首先體現在精度高,其基于多光子吸收的特征和閾值效應以及加工過程中熱效應可以忽略(也就是通常強調的冷加工)。這里應該注意,這是指單脈沖或脈沖頻率比較低的情形,另外也只是相對而言,這里忽略了激光波長以及對象物質的特征等。

  原理上,飛秒激光由于其脈寬很短,較低的脈沖能量就可以獲得極高的峰值功率(脈沖能量/脈寬),當用物鏡等進一步聚焦到材料時,由于焦點附近能量密度很高,能引起各種強烈的非線性效應。

  激光加工可以認為是一種激光誘導反應,原理上分為誘導分子振動和電子激發。前者是熱反應,后者與構成物質的原子外殼層電子關聯的化學鍵相作用。考慮物質的能帶結構,一般長波長激光如CO2激光利用的是分子振動導致的熱反應,短波長激光如準分子激光利用的是電子激發產生的化學鍵的切斷。

  近紅外飛秒激光加工通過多光子過程,也就是說雖然材料在激光波長(λ)沒有線性吸收,但焦點附近的光強很高,通過同時吸收多個(n)光子,起到了將短波長(λ/n)的光拿到材料內部去照材料所產生的同樣效果,實現有空間選擇性的微觀結構操控,而不影響表面結構,這是飛秒激光加工的另外一個優勢。

  飛秒激光是冷加工,其實是一個誤解

  經常有人認為飛秒激光一定是冷加工,其實這也是一個誤解。飛秒激光加工還與激光脈沖頻率有關。當將眾多的飛秒激光脈沖串起來準連續的脈沖陣列也就是脈沖頻率很高時,飛秒激光加工的剩余熱會產生熱累積效應。控制重復頻率則有望實現兼具飛秒激光和長脈沖或連續激光特征的多光子吸收和熱效應共存的三維結構制備,進一步拓展形成微納結構的種類與材料的功能。

  網上有不少將飛秒激光神化的描述,我們需要還原飛秒激光的本來面目,將飛秒激光用到極致,用在其能真正發揮其特點的領域,而不是“將原子彈用來轟蚊子”。

時間:2018-10-19  來源:古怪猴子激光  閱讀:

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