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飞秒激光与其它激光加工有什么不同?

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飞秒激光与其它激光加工有什么不同?

内容提示:飞秒激光目前还没有普及开来,很多人觉得飞秒激光很神奇,导致会出现一些误解,那么飞秒激光和普通的激光加工有什么不同呢?

  这是一个受普遍关注却不是只言片语就能回答的问题,就像貌似简单的玻璃为什么是透明的问题一样。我们需要根据理论从原理上进行分析和阐述。在这里,我们指的飞秒激光是指脉宽为1-1000fs(1fs=10-15s)的激光,其它激光是指脉宽大于1000fs(1ps)的脉冲激光或连续激光。

  激光加工过程中需要考虑激光的波长、能量(或功率)、脉宽、频谱、脉冲频率、偏振、相位等因素,同时还要考虑聚焦系统以及扫描速度和方向,被加工对象物质的组成、结构和形态,甚至是物质所处的环境条件如温度和气氛。脉宽是其中一个非常重要的具有普遍影响的激光参数。

  为简单起见,下面的讨论假设其它条件基本相近(其实这个条件很难成立),只是脉宽不同的情形。飞秒激光也主要是指现在用得最多的钛宝石以及Yb3+掺杂晶体和光纤激光器为主,波长在1μm附近的近红外的飞秒激光。

  飞秒激光系统很贵

  飞秒激光现在已开始用于切割、钻孔、焊接、打标、剥离、修复等加工领域,但应用还不是很普遍。一方面是很多情形其它激光也用得很好,另一方面是飞秒激光很贵。飞秒激光的价格比长脉冲激光和连续激光要贵很多。其它参数相近的飞秒和皮秒激光有时也会相差几十万元。

  飞秒激光贵的原因主要有:

  1)根据傅里叶变化关系,要产生超短飞秒脉冲必须具有宽光谱的增益介质,譬如钛宝石。增益介质的带宽决定了最终能实现的脉宽。所以用作飞秒激光增益介质的要求会高一些,现在主要是钛宝石,部分Yb3+掺杂晶体和玻璃光纤;

  2)飞秒激光脉冲一般需要通过锁膜技术来实现,用来加工的大脉冲能量的飞秒脉冲还需要进一步将低脉冲能量的飞秒脉冲通过脉冲展宽-放大-压缩的再生放大技术来实现,飞秒激光系统要用到加工精细的啁啾镜等光学元器件以及高功率抽运源,激光系统比较复杂。

飞秒激光与其它激光加工有什么不同?

  飞秒激光特性很好

  飞秒加工有不少优势,首先体现在精度高,其基于多光子吸收的特征和阈值效应以及加工过程中热效应可以忽略(也就是通常强调的冷加工)。这里应该注意,这是指单脉冲或脉冲频率比较低的情形,另外也只是相对而言,这里忽略了激光波长以及对象物质的特征等。

  原理上,飞秒激光由于其脉宽很短,较低的脉冲能量就可以获得极高的峰值功率(脉冲能量/脉宽),当用物镜等进一步聚焦到材料时,由于焦点附近能量密度很高,能引起各种强烈的非线性效应。

  激光加工可以认为是一种激光诱导反应,原理上分为诱导分子振动和电子激发。前者是热反应,后者与构成物质的原子外壳层电子关联的化学键相作用。考虑物质的能带结构,一般长波长激光如CO2激光利用的是分子振动导致的热反应,短波长激光如准分子激光利用的是电子激发产生的化学键的切断。

  近红外飞秒激光加工通过多光子过程,也就是说虽然材料在激光波长(λ)没有线性吸收,但焦点附近的光强很高,通过同时吸收多个(n)光子,起到了将短波长(λ/n)的光拿到材料内部去照材料所产生的同样效果,实现有空间选择性的微观结构操控,而不影响表面结构,这是飞秒激光加工的另外一个优势。

  飞秒激光是冷加工,其实是一个误解

  经常有人认为飞秒激光一定是冷加工,其实这也是一个误解。飞秒激光加工还与激光脉冲频率有关。当将众多的飞秒激光脉冲串起来准连续的脉冲阵列也就是脉冲频率很高时,飞秒激光加工的剩余热会产生热累积效应。控制重复频率则有望实现兼具飞秒激光和长脉冲或连续激光特征的多光子吸收和热效应共存的三维结构制备,进一步拓展形成微纳结构的种类与材料的功能。

  网上有不少将飞秒激光神化的描述,我们需要还原飞秒激光的本来面目,将飞秒激光用到极致,用在其能真正发挥其特点的领域,而不是“将原子弹用来轰蚊子”。

时间:2018-10-19  来源:创远激光  阅读:次

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