皮秒激光器的原理及应用

皮秒激光器的原理及应用激光技术对国民经济及社会发展的重要作用：激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一。随着激光技术的不断发展，激光应用已经渗透到科研、产业的各个方面，在汽车制造、航空航天、钢铁、金属加工、冶金、太阳能以及医疗设备等领域都起到重要作用。激光产业在我国发展了五十多年，已经与多个学科形成了不同类型技术应用，比如光电技术，激光医疗与生物光子学、激光加工技术、激光检测与计量技术、激光全息技术、激光光谱分析技术、非线性光学、超快激光学、激光化学、量子光学、激光雷达、激光制导、激光分离同位素、激光可控核聚变、激光武器等。激光器及其配件在激光产业的整个产业链中占有非常重要的地位，属于技术和专业性都很强的产业。激光通信、激光存储和激光显示主要应用在信息领域。激光加工（包括激光切割、激光焊接、激光打标、激光钻孔等）和激光医疗则在医学和工业上应用广泛。超短激光脉冲的激光切除的优点在很多应用中得到了证实，直到最近也没有在工厂的地板上发现这些应用的工业副产物。在工业应用中，除去质量因素以外，可重复生产性和每个零件的成本也是很重要的标准。激光系统的可靠性当然和所使用的激光技术直接联系在一起。每个零部件的成本基本上和超短激光脉冲的重复频率直接联系在一起。高附加值，高重复率的生产力，可靠的技术等所有这些要求仅仅在最近通过二极管泵浦的皮秒激光器才完成。皮秒激光器在大规模生产中的第一次应用在ThePhotonicsWest2005上被报道。20ps脉冲持续时间的1μJ的脉冲被聚焦到薄的钢箔上，在脉冲光束的方向上一系列同心环被去除。不同的同心圆环形成一个园盘，去除材料的不同圆盘形成一个锥形孔，这个孔在专业的高质量的打印头中作为注入墨水的喷嘴。在过去几年中，绝大多数超快激光器制造商集中精力在飞秒激光器的开发上。这些激光器需要一种复杂的CPA技术来保持峰值功率密度在某一个损伤阈值下的放大阶跃内。用这种方式，可以产生mJ水平的脉冲能量，但是重复率被限制在几KHZ。比较而言几百μJ的高脉冲能量对厚材料的钻孔或切割是有利的。柴油机的注入喷嘴的钻孔就是一个例子，这里1mm厚的钢板材料不得不被精密的打孔以致不需要进一步的清洁处理。LUMERALASER为了这个应用开发了皮秒激光器STACCATO。因为它的脉冲时间在皮秒范围内，STACCATO激光系统不需要CPA技术。激光工作物质Nd：YVO4允许用激光二极管直接泵浦，使其具有高的脉冲能量和高的重复频率。STACCATO激光系统在10ps的脉冲持续时间内在1064nm时输出10W的平均功率，它的激光束接近衍射极限，能被很理想的聚焦。与飞秒激光器相比，达到100KHZ的非常高的重复频率保证了高的生产率。在紫外光谱区域许多材料有比较高的线形吸收系数，对材料的去除来说这是非常有利的。从STACCATO发出的红外激光辐射因为其非常高的峰值功率密度能够被转化成更短的激光波长532nm，355nm和266nm。当由STACCATO激光器产生的100μJ的光脉冲打到材料上时冷切除被触发，但是快速扩散的等离子体仍然可能导致材料的热效应。因此对一个好的结果而言，不但超短激光脉冲的产生是重要的而且适当的工艺技术也是重要的。据证明像开孔这样的工艺对微机械加工结果而言不但适当的加工策略是重要的，而且偏振控制，适当的使用辅助气体和真空喷嘴也很重要。热引起的裂纹，液化点可以通过使用适当的加工策略避免。图2左右分别为在钢铁和陶瓷上用皮秒激光器加工的孔在材料去除时伴随着高脉冲能量的强等离子体的形成引起了一个问题，即市场上能获得的超快激光器是否为精密的表面加工而设计得理想。下面的考虑涉及到超快激光器对靠近表面的材料的精密去除的理想的参数。在许多实验中一般的经验表明，如果在合理的的去除速率条件下最好的精度可以通过功率密度选择在5-10倍的阈值超短激光脉冲获得。对金属而言，这意味着10PS的脉冲的能量密度应该为1J/cm2。如果微机械加工的激光束被聚焦成典型的直径10μm的光斑，那么最佳的脉冲能量应该为1μJ。在这种情况下每个激光脉冲熔化的材料厚度的典型值为10-100nm，等离子的形成是最小的，质量是很好的，可以加工出来0.1μm精度的微结构。STACCATO皮秒激光器的100个脉冲处理后，材料按照定义的方式被去除，以致激光束的轮廓被映射到材料上。有希望的实际应用是为机械，化学，液体设计的金属部件的表面加工。皮秒激光器激光加工可以进行几乎所有高生产率的结构加工。结构是通过STACCATO激光器在50KHZ，将532nm的光辐射聚焦到直径为25μm的一个点上加工出来的。涡轮叶片表面的适当设计的结构能非常显著地减小摩檫力，燃料消耗和环境损坏。作为上述内容的总结，表面加工激光器应该有皮秒级的脉冲持续时间，几μJ的中等脉冲能量和非常高的重复率。这样的激光器最近由LUMERA投入市场，这款激光器名为RAPID。因为相对简单的设计，使RAPID这款激光器具有尺寸小的，结构紧凑的特点，它由皮秒激光振荡器，放大器和非常快的Pockels核组成，以致它能提供高达500KHZ的重复率。超快激光器的微机械加工要求各种加工参数。RAPID的重复率可以从外部进行控制。单脉冲工作，突发模式或任何外部定义的脉冲序列都可以通过TTL脉冲来触发。这致使各种加工策略成为可能，并能提供光束路径的控制。光束束斑质量非常好，而且很稳定，在各种重复率的不同环境下几乎没有任何影响，这些特点是非常显著的。RAPID的激光束几乎接近衍射极限因此表现出良好的可聚焦性。它的脉冲持续时间大约为10ps，脉冲能量即使在高的重复率和转换成532nm，355nm，266nm的条件下也是足够超过去除金属的阈值能量的。脉冲与脉冲的能量变化小于1%rms。RAPID激光器的技术设计中，其输出激光参数、可控性能等指标表明该激光器是金属表面加工的理想工具，如金属表面打孔，存储器的修补，以及在半导体工业中的打标等。2μm激光器及其应用2um激光器的研究近来成为热门的课题之一，因为其在医疗等领域应用前景广阔。人体组织中水的比例大约占70％，因而组织对光的吸收情况与水相似。水在中红外波段有两个强的吸收谱带，分别为2.5～4.0μm和5.6～10μm。因此，当激光与人体组织相互作用时，水对所用激光吸收系数的大小就决定了激光在组织中的穿透深度、损伤区域以及手术精度等。Nd:YAG激光器的波长为1.06μm，可以用石英光纤传输，在医疗方面有不少应用。但是，由于水对它的吸收仅为0.1cm-1，在有些外科手术中，它的穿透深度较深，损伤区域较大，手术精度不高，因此不宜使用。Er:YAG激光波长为2.94μm,水对它的吸收为3000cm-1，属水的强吸收波段。对医疗应用来说，铒激光器是一个十分理想的光源，然而令人遗憾的是：铒激光不能用石英光纤传输，能够传输铒激光的非石英光纤容易断裂，防碍其临床应用。Ho:YAG激光波长为2.1μm，位于水较强吸收谱线。水对其吸收约为25cm-1，是水对Nd:YAG激光吸收的250倍。显然，水对Ho:YAG激光的强吸收使其可以在大部分软组织和硬组织中产生浅的穿透深度、高的手术精度和独特的凝血作用，大大限制了损伤区域。在未来几年中，它将逐步取代Nd:YAG激光器。虽然水对钬激光的吸收只是水对铒激光吸收的一百二十分之一，然而钬激光能用低OH-的石英光纤传输，这就使钬激光能有效地工作在气体和液体环境中，为医生切除软骨和其它硬组织提供精确的途径，使钬激光成为现有激光内窥镜系统中最适宜的光源[37]。钬激光在软组织中的外科手术精度与CO2激光相比较，可能略低于CO2激光的手术精度，然而它能为大部分组织提供更好的凝血功能。除此之外，二者之间的最大区别是CO2激光不能用石英光纤传输，只能借助于笨重的关节臂来导光，十分不便；而能用光纤传输的脉冲钬激光则是切除和烧蚀软骨以及其它硬的钙化的组织的有效工具。因此有人称钬激光对于CO2激光来说具有挑战性，在某些手术中钬激光具有取代CO2激光的潜力。由于人体其它部分组织也都含有大量的水分，由此可以推出，人体组织对2.1μm的钬激光均有强烈的吸收作用，这一特点使得钬激光器在医学上有着广阔的应用前景。激光制冷的发展、应用及其它制冷技术制冷技术在促进国民经济建设以及推动科学技术发展中具有极其重要的作用，在农业方面，如在水果蔬菜产区，储存水果蔬菜即需要大量的冷库寻找和开发更优越的低温制冷技术一直是农产品储藏领域的研究热点。随着科技的进步和人们生活水平的不断提高，与国计民生息息相关的制冷空调行业也面临着新的机遇和挑战，传统的制冷方式也逐渐暴露出其缺点和不足，尤其是限制破坏臭氧层物质和温室效应气体相关协定的出台，对蒸汽压缩式制冷方式提出了严峻的考验。不管是超导还是BEC，超低温都是其必不可少的条件。从热力学开创至发展以来。绝对零度一直是一个可望而不可及的温度，尽管我们不可达到，但我们都试图去接近它。不仅是在热力学，在其他领域，绝对零度都是一个很值得去深究的问题。我们通过一些超低温实验来验证或者发现某些规律。而激光制冷具有无振动、无噪声、无电磁辐射、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、环保等优点，是我们努力研究的制冷方向，是通向超低温领域的一个必不可少的途径。一、激光制冷原理激光制冷原理有两种：多普勒制冷技术和反斯托克斯荧光制冷技术。1.温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。众所周知，我们周围的一切分子和原子都在进行着永不停息的无规则的热运动。而我们制冷的实质就是降低这些分子或原子的总体上的热运动的剧烈程度。激光制冷中的一个很重要的技术就是多普勒冷却技术，多普勒冷却技术的原理就是通过激光发出光子来阻碍原子的热运动，而这个阻碍过程则是通过减小原子的动量来实现的。那么，激光究竟是如何来减小这些原子的动量呢？首先，量子力学提出，原子只能吸收特定频率的光子，从而改变其动量。多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频率变高，而在波源远离观察者时频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。同样，对于原子也是如此，当原子的运动方向与光子运动相反时，则此光子的频率将增大，而当原子运动方向于此光子运动方向相同时，则此光子频率将减小。然后的话，另一个物理学原理就是光虽然没有静质量，但其具有动量。那么综合以上几个个物理学特性，我们就能构建出激光冷却的简单模型。激光器的频率在一定范围内是可调的，而把激光器的频率调至略低于某原子的可以吸收的频率时，就会有意想不到的结果。当用这样一束光照射某一特定的原子时，就会发生这样的情况。如果原子是向着激光束运动时，由于光的多普勒效应，则光子的频率增加，而原来激光光子的频率刚好是略小于原子的可吸收的频率，则此时由于多普勒效应则刚好被原子吸收。而这一吸收表现为动量改变。因为光子的运动方向与原子的运动方向相反，则在光子与原子碰撞之后，原子跃迁到激发态，并且动量减小，故动能也随之减小。而对于其他运动方向的原子，则其对应的光子的频率不会增加，所以不能吸收激光束中的光子，所以也不会有动量增加这一现象的发生，相对于动能来讲也是一样。当我们用多束激光从不同角度来照射原子，则在不同运动方向上的原子的动量都会减小，从而动能减小。而由于在激光只减小原子的动量，所以在此过程持续一段时间后，大多数的原子的动量就会达到一个很低的水准，从而达到制冷的目的。但此技术所应用的范围大多是用于原子冷却，而对于分子，这种方法很难将其冷却到超低温。但超冷分子比超冷原子的意义更大，因为其属性更为复杂。目前，冷却分子的方法是将超冷碱原子结合在一起，产生双碱分子。不久之前，耶鲁大学就曾经将氟化锶（SrF）冷却到几百微开。2.另一种激光制冷也称反斯托克斯荧光制冷(AntistokesFluorescentCooling)，是正在发展的新概念的制冷方法其基本原理是反斯托克斯效应，利用散射与入射光子的能量差实现制冷。反斯托克斯效应是一种特殊的散射效应，其散射荧光光子波长比入射光子波长短因此，散射荧光光子能量高于入射光子能量，其过程可简单理解为：用低能量激光光