飞秒激光加工技术

飞秒激光加工技术机研133张国召1、什么是飞秒激光2、如何产生飞秒激光3、飞秒激光加工机理4、飞秒加工的应用主要内容1、激光组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。一、什么是飞秒激光这是我们我们生活中常见的激光器。属于半导体激光器。2、飞秒飞秒是一个时间单位。一飞秒就是10的负15次方秒。也就是1/1000万亿秒。我们知道宇宙年龄有多大？答案：140多亿年。一小时相对宇宙年龄有多短？答案：8×10-15也就是说如果把宇宙的年龄比作一秒，那么一小时大约相当于8飞秒。3、飞秒激光飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒。我们知道光一秒钟可穿越30万千米，但它在100飞秒的时间内，只能通过人的头发直径那么短的距离。所以飞秒激光的脉冲也非常短，目前已经达到了4fs以内（可见光-近红外波段）。连续激光脉冲激光4、飞秒激光特点1)、飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的瞬间功率可达百万亿瓦，比目前全世界的发电总功率还要多出上百倍;2)、物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，气态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变成等离子体;3)、飞秒激光具有精确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦到比头发的直径还要小的多的超细微空间区域;1、普通激光的产生1960年，由Maiman实现第一台激光器：红宝石激光器。二、如何产生飞秒激光红宝石激光器结构原理图2、飞秒激光脉冲产生原理（1）飞秒脉冲激光技术普通激光器产生的是连续的激光，要压缩成脉冲的形式飞秒激光器在此基础上还需要锁模元件、色散补偿元件1）调Q技术调节谐振腔的品质因数Q，使受激辐射迅速地形成和增强，从而输出强大的激光脉冲。2）锁模技术锁模就是将需要的那种组合模式选出来让它振荡，即增益相同时，让它的损耗最小。3）色散补偿从腔内输出的飞秒光脉冲越短，脉冲光谱带越宽；影响进一步压缩；为使激光器产生更短的光脉冲，必须在腔内插入补偿元件。(2)产生原理以KLM锁模掺钛蓝宝石激光器为例KLM锁模掺钛蓝宝石激光器实物图掺钛蓝宝石飞秒激光器在足够高的泵浦强度下工作，腔内激光在钛宝石晶体中的功率密度约达到1.0MW/cm2时，由于高强度光场与介质的相互作用，导致光束自聚焦，产生光克尔透镜效应。由于光克尔透镜和光阑（狭缝）构成的幅度调制器的作用，使脉冲前沿和后沿的损耗大于中部峰值损耗，从而使脉冲压缩。这种脉冲光在腔内循环被放大与压缩，并通过增益竞争就可以输出稳定的飞秒光脉冲。使各种锁模机制之间达到最佳平衡，最终才能输出稳定的飞秒激光脉冲。然后再由色散补偿进一步产生更短的脉冲。色散补偿与自相位调制和克尔透镜相结合，使各种锁模机制之间达到最佳平衡，最终才能输出稳定的飞秒激光脉冲。KLM锁模原理图克尔透镜锁模是由于增益介质非线性克尔效应引起光束的自聚焦，使高强度光束更有效地通过腔内的孔，即对高脉冲强度产生低损耗，低强度的光束产生高的损耗。这种有效的类饱和吸收行为是通过克尔介质的自聚焦效应和孔共同作用产生的。由于与光强度有关的折射率变化，克尔效应产生了依赖于光强的透镜，该透镜对脉冲强的部分有更强的聚焦，使其几乎无损耗地通过孔。（3）飞秒激光器飞秒激光器目前主要存在四大类别：其一是由有机染料为介质的飞秒染料激光器。不同染料可以输出不同波长的飞秒激光脉冲，它覆盖了从紫外到近红外波段，但最有效的还是集中在红光波段。随着固体、半导体、光纤飞秒激光器的崛起，飞秒染料激光器在红外和紫外波段已经失去了竞争能力，但在可见波段，特别是在红光区域仍被广泛的应用在时间分辨光谱，半导体载流子快速弛豫过程和化学反应动力学过程的研究中。其二是以掺钛蓝宝石，Li：SAF，掺镁橄榄石等固体材料为介质的飞秒固体激光器。由于这种固体材料具有比染料更宽的调谐范围，更大的饱和增益通量和更长的激光上能级寿命，使其在飞秒激光运转的许多特性都优于染料激光器，加之固体材料具有更稳定的光学性质和更紧凑的结构，使得飞秒固体激光器在很短的时间里发展成为飞秒激光技术的主体。其三是以多量子阱材料为代表的飞秒半导体激光器。超短脉冲半导体激光器的研究在很长时间里始终没有跨越皮秒级，直到将多量子阱材料引入到短脉冲半导体激光器中，才使超短脉冲半导体激光器成为飞秒激光家庭中的重要成员。飞秒半导体激光器主要应用于高比特多路通信，超长距孤子光纤通信等领域。其四是以掺杂稀土元素的SiO2为增益介质的飞秒光纤激光器。其主要特点是结构紧凑，小巧，高效率，低损耗，负色散和全光学，其波长适用于光通信，特别适用于孤子传输的研究。1、加工机理飞秒激光脉冲和材料作用过程中,材料中的电子通过对入射激光的多光子非线性吸收方式获得受激能量,获得的能量仅在几个纳米厚度的吸收层上迅速聚积,作用区域内的温度瞬间急剧上升,并远远超过材料的熔化和汽化温度值,使物质发生高度电离,最终处于前所未有的高温、高压和高密度的等离子体状态;由于受辐射持续时间只有飞秒量级(10-15s),远小于材料中受激电子通过转移、转化等形式的能量释放时间,因而从根本上避免了热扩散的存在和影响;三、飞秒激光加工机理同时飞秒量级脉冲有着非常高的瞬时功率,产生的光电场强度比原子内部库仑场高数倍,材料内部原有的束缚力已不足以遏止高密度离子、电子的迅速膨胀,最终使作用区域内的材料以等离子体向外喷发的形式得到去除,实现了激光对材料的非热熔性加工.2、加工特点1）可加工材料广泛当脉冲持续时间足够短、峰值足够高时,飞秒激光可以实现对任何材料的精细加工、修复和处理,而与材料的种类和特性无关。2）非热熔性最重要的特征。激光在极短的时间和极小的空间内与物质相互作用，作用区域内的温度在瞬间内急剧上升，并以等离子体向外喷发的形式得到去除。严格避免了热熔化的存在，大大减弱和消除了传统加工中热效应带来的诸多负面影响。3）加工过程的准确性每一个激光脉冲与物质相互作用的持续期内避免了热扩散的存在,在根本上消除了类似于长脉冲加工过程中的熔融区、热影响区、冲击波等多种效应对周围材料造成的影响和热损伤，将加工过程所涉及的空间范围大大缩小，从而提高了激光加工的准确程度，即运用飞秒加工决不会“伤及无辜”。长脉冲激光加工过程飞秒脉冲激光加工过程4）加工尺寸的亚微米特性和3D空间分辨性飞秒加工可以突破光束衍射极限的限制，实现尺寸小于波长的亚微米或纳米操作；只有在材料的聚焦点才能获得较高的功率密度，从而使得飞秒加工过程具有严格的空间定位选择能力。5）加工能量的低耗性脉冲持续时间非常短,能量在时间上高度集中例如,用10fs脉冲宽度的激光,0.3mJ能量就可以在直径为2Lm的焦点达到1018W/cm2的峰值强度,而用脉宽宽度为10ns的长脉冲激光,则要300J的能量才能达到同样的峰值强度。因此飞秒激光加工所需的脉冲能量阈值一般为毫焦耳或微焦耳量级,较传统激光加工消耗的光能量大大降低。飞秒激光以其独特的超短持续时间和超强峰值功率正在打破以往传统的激光加工方法，开创了材料超精细、低损伤和空间3D加工和处理的新领域。1、一般金属的加工如钢、铜、铝等来说具有很高的热导性和较低的熔点温度，在其表面实现高精度和高质量的钻孔有很大困难。四、飞秒激光加工的应用德国汉诺威激光中心的B.N.Chickov研究小组在真空靶室中放置100mm厚的钢片然后分别将能量为1mJ宽度为3.3ns和能量为120uJ宽度为200fs的聚集激光对其表面进行加工，经过10^4个脉冲照射后，比较两者的处理结果具有显著的不同。纳秒（左）与飞秒右的加工对比图2、一些难熔性金属如铼钼钨等，传统的长脉冲激光很难完成对它们的精细加工。美国clark公司应用150fs激光在100um厚熔点温度为3180度的铼材料上实现了直径为110um的精确钻空，与应用8ns激光进行加工的情况相比，避免孔径周围热应力导致的裂纹产生。纳秒和飞秒对高熔点金属铼的加工3、一些电解质材料如硅晶片的切割，现代微电子电路集成度的增加使晶片变得非常脆弱，传统的机械切割技术已不太适用，成熟的化学或等离子刻蚀对加工形状和结构的选择有限定，长脉冲激光也很难实现对硅的加工。飞秒激光以其独特的除热和消机械应力的加工特性给硅材料的切割等处理技术带来了新的希望。2003年加拿大科学家M.Meunier等人采用光谱物理公司生产的重复率为1KHz的钛宝石再生放大系统，将输出波760~820nm能量约1mJ持续时间小于120fs的脉冲激光对厚度仅为50um的硅晶片实现了高精度切割。如图右。飞秒激光对硅表面的切割4、对聚合复合物材料的加工传统的方法通常采用短波长紫外光引发的聚合反应，主要缺点就是加工精度较低和空间加工能力差。飞秒激光光聚合反应对介质很好的穿透性，适合进行深层次的三维超精细结构制作。2001年日本大阪大学应用物理系SatoshiKawata教授领导的研究小组在快速实现亚衍射极限的激光微米P纳米三维制作方面取得了重大进展。4他们将钛宝石再生放大器输出重复频率76MHz波长为789nm能量为0.6uJ脉冲宽度为150fs的激光经过高度聚焦后，照射到感光聚合树脂材料上%基于双光子吸收效应!利用光扫描技术!在树脂材料上成功光硬化出一幅类似于红细胞大小的!长度为10um高度为7um的公牛图像。这项技术对于制作微传感器、微齿轮等多种微机电系统（MEMS）具有非常重要的意义谢谢聆听！