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1、飛秒激光加工技術(shù)機(jī)研133張國召12021/8/14 1、什么是飛秒激光 2、如何產(chǎn)生飛秒激光 3、飛秒激光加工機(jī)理 4、飛秒加工的應(yīng)用主要內(nèi)容22021/8/14 1、激光 組成物質(zhì)的原子中,有不同數(shù)量的粒子(電子)分布在不同的能級上,在高能級上的粒子受到某種光子的激發(fā),會從高能級跳到(躍遷)到低能級上,這時(shí)將會輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光,這就叫做“受激輻射的光放大”,簡稱激光。一、什么是飛秒激光32021/8/14 這是我們我們生活中常見的激光器。屬于半導(dǎo)體激光器。42021/8/14 2、飛秒 飛秒是一個(gè)時(shí)間單位。一飛秒就是10的負(fù)15次方秒。也就是1/1000萬億秒。 我們知道宇宙
2、年齡有多大? 答案: 140多億年。 一小時(shí)相對宇宙年齡有多短?答案:810-15 也就是說如果把宇宙的年齡比作一秒,那么一小時(shí)大約相當(dāng)于8飛秒。52021/8/14 3、飛秒激光 飛秒激光是一種以脈沖形式運(yùn)轉(zhuǎn)的激光,持續(xù)時(shí)間非常短,只有幾個(gè)飛秒。 我們知道光一秒鐘可穿越30萬千米,但它在100飛秒的時(shí)間內(nèi),只能通過人的頭發(fā)直徑那么短的距離。所以飛秒激光的脈沖也非常短,目前已經(jīng)達(dá)到了4fs以內(nèi)(可見光-近紅外波段)。62021/8/14連續(xù)激光脈沖激光72021/8/14 4、飛秒激光特點(diǎn) 1)、飛秒激光有非常高的瞬間功率,它的瞬間功率可達(dá)百萬億瓦,比目前全世界的發(fā)電總功率還要多出上百倍; 2
3、)、物質(zhì)在飛秒激光的作用下會產(chǎn)生非常奇特的現(xiàn)象,氣態(tài)的物質(zhì)、液態(tài)的物質(zhì)、固態(tài)的物質(zhì)瞬間都會變成等離子體;82021/8/14 3)、飛秒激光具有精確的靶向聚焦定位特點(diǎn),能夠聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小的多的超細(xì)微空間區(qū)域;92021/8/14 1、普通激光的產(chǎn)生 1960年,由Maiman實(shí)現(xiàn)第一臺激光器:紅寶石激光器。二、如何產(chǎn)生飛秒激光紅寶石激光器結(jié)構(gòu)原理圖102021/8/14 2、飛秒激光脈沖產(chǎn)生原理 (1)飛秒脈沖激光技術(shù) 普通激光器產(chǎn)生的是連續(xù)的激光,要壓縮成脈沖的形式飛秒激光器在此基礎(chǔ)上還需要鎖模元件、色散補(bǔ)償元件 1)調(diào)Q技術(shù)調(diào)節(jié)諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q,使受激輻射迅速地形成和增強(qiáng),從而
4、輸出強(qiáng)大的激光脈沖。 2)鎖模技術(shù) 鎖模就是將需要的那種組合模式選出來讓它振蕩,即增益相同時(shí),讓它的損耗最小。112021/8/14 3)色散補(bǔ)償 從腔內(nèi)輸出的飛秒光 脈沖越短,脈沖光譜帶越寬;影響進(jìn)一步壓縮;為使激光器產(chǎn)生更短的光脈沖,必須在腔內(nèi)插入補(bǔ)償元件。 (2)產(chǎn)生原理 以KLM鎖模摻鈦藍(lán)寶石激光器為例KLM鎖模摻鈦藍(lán)寶石激光器實(shí)物圖122021/8/14 摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器在足夠高的泵浦強(qiáng)度下工作,腔內(nèi)激光在鈦寶石晶體中的功率密度約達(dá)到1.0MW/cm2時(shí),由于高強(qiáng)度光場與介質(zhì)的相互作用,導(dǎo)致光束自聚焦,產(chǎn)生光克爾透鏡效應(yīng)。由于光克爾透鏡和光闌(狹縫)構(gòu)成的幅度調(diào)制器的作用,使脈沖
5、前沿和后沿的損耗大于中部峰值損耗,從而使脈沖壓縮。這種脈沖光在腔內(nèi)循環(huán)被放大與壓縮,并通過增益競爭就可以輸出穩(wěn)定的飛秒光脈沖。使各種鎖模機(jī)制之間達(dá)到最佳平衡,最終才能輸出穩(wěn)定的飛秒激光脈沖。132021/8/14 然后再由色散補(bǔ)償進(jìn)一步產(chǎn)生更短的脈沖。色散補(bǔ)償與自相位調(diào)制和克爾透鏡相結(jié)合,使各種鎖模機(jī)制之間達(dá)到最佳平衡,最終才能輸出穩(wěn)定的飛秒激光脈沖。KLM鎖模原理圖142021/8/14 克爾透鏡鎖模是由于增益介質(zhì)非線性克爾效應(yīng)引起光束的自聚焦,使高強(qiáng)度光束更有效地通過腔內(nèi)的孔,即對高脈沖強(qiáng)度產(chǎn)生低損耗,低強(qiáng)度的光束產(chǎn)生高的損耗。這種有效的類飽和吸收行為是通過克爾介質(zhì)的自聚焦效應(yīng)和孔共同作用
6、產(chǎn)生的。由于與光強(qiáng)度有關(guān)的折射率變化,克爾效應(yīng)產(chǎn)生了依賴于光強(qiáng)的透鏡,該透鏡對脈沖強(qiáng)的部分有更強(qiáng)的聚焦,使其幾乎無損耗地通過孔。152021/8/14 (3)飛秒激光器 飛秒激光器目前主要存在四大類別:其一是由有機(jī)染料為介質(zhì)的飛秒染料激光器。 不同染料可以輸出不同波長的飛秒激光脈沖,它覆蓋了從紫外到近紅外波段,但最有效的還是集中在紅光波段。隨著固體、半導(dǎo)體、光纖飛秒激光器的崛起,飛秒染料激光器在紅外和紫外波段已經(jīng)失去了競爭能力,但在可見波段,特別是在紅光區(qū)域仍被廣泛的應(yīng)用在時(shí)間分辨光譜,半導(dǎo)體載流子快速弛豫過程和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程的研究中。其二是以摻鈦藍(lán)寶石,Li:SAF,摻鎂橄欖石等固體材料
7、為介質(zhì)的飛秒固體激光器。 由于這種固體材料具有比染料更寬的調(diào)諧范圍,更大的飽和增益通量和更長的激光上能級壽命,使其在飛秒激光運(yùn)轉(zhuǎn)的許多特性都優(yōu)于染料激光器,加之固體材料具有更穩(wěn)定的光學(xué)性質(zhì)和更緊湊的結(jié)構(gòu),使得飛秒固體激光器在很短的時(shí)間里發(fā)展成為飛秒激光技術(shù)的主體。162021/8/14 其三是以多量子阱材料為代表的飛秒半導(dǎo)體激光器。 超短脈沖半導(dǎo)體激光器的研究在很長時(shí)間里始終沒有跨越皮秒級,直到將多量子阱材料引入到短脈沖半導(dǎo)體激光器中,才使超短脈沖半導(dǎo)體激光器成為飛秒激光家庭中的重要成員。飛秒半導(dǎo)體激光器主要應(yīng)用于高比特多路通信,超長距孤子光纖通信等領(lǐng)域。 其四是以摻雜稀土元素的SiO2為增益
8、介質(zhì)的飛秒光纖激光器。其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊,小巧,高效率,低損耗,負(fù)色散和全光學(xué),其波長適用于光通信,特別適用于孤子傳輸?shù)难芯俊?72021/8/14 1、加工機(jī)理 飛秒激光脈沖和材料作用過程中,材料中的電子通過對入射激光的多光子非線性吸收方式獲得受激能量,獲得的能量僅在幾個(gè)納米厚度的吸收層上迅速聚積,作用區(qū)域內(nèi)的溫度瞬間急劇上升,并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料的熔化和汽化溫度值,使物質(zhì)發(fā)生高度電離,最終處于前所未有的高溫、高壓和高密度的等離子體狀態(tài); 由于受輻射持續(xù)時(shí)間只有飛秒量級(10-15s),遠(yuǎn)小于材料中受激電子通過轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化等形式的能量釋放時(shí)間,因而從根本上避免了熱擴(kuò)散的存在和影響;三、飛秒激光加工
9、機(jī)理182021/8/14 同時(shí)飛秒量級脈沖有著非常高的瞬時(shí)功率,產(chǎn)生的光電場強(qiáng)度比原子內(nèi)部庫侖場高數(shù)倍,材料內(nèi)部原有的束縛力已不足以遏止高密度離子、電子的迅速膨脹,最終使作用區(qū)域內(nèi)的材料以等離子體向外噴發(fā)的形式得到去除,實(shí)現(xiàn)了激光對材料的非熱熔性加工.192021/8/14 2、加工特點(diǎn) 1)可加工材料廣泛 當(dāng)脈沖持續(xù)時(shí)間足夠短、峰值足夠高時(shí),飛秒激光可以實(shí)現(xiàn)對任何材料的精細(xì)加工、修復(fù)和處理,而與材料的種類和特性無關(guān)。 2)非熱熔性 最重要的特征。激光在極短的時(shí)間和極小的空間內(nèi)與物質(zhì)相互作用,作用區(qū)域內(nèi)的溫度在瞬間內(nèi)急劇上升,并以等離子體向外噴發(fā)的形式得到去除。嚴(yán)格避免了熱熔化的存在,大大減
10、弱和消除了傳統(tǒng)加工中熱效應(yīng)帶來的諸多負(fù)面影響。202021/8/14 3)加工過程的準(zhǔn)確性 每一個(gè)激光脈沖與物質(zhì)相互作用的持續(xù)期內(nèi)避免了熱擴(kuò)散的存在,在根本上消除了類似于長脈沖加工過程中的熔融區(qū)、熱影響區(qū)、沖擊波等多種效應(yīng)對周圍材料造成的影響和熱損傷,將加工過程所涉及的空間范圍大大縮小,從而提高了激光加工的準(zhǔn)確程度,即運(yùn)用飛秒加工決不會“傷及無辜”。212021/8/14長脈沖激光加工過程飛秒脈沖激光加工過程222021/8/14 4)加工尺寸的亞微米特性和3D空間分辨性 飛秒加工可以突破光束衍射極限的限制,實(shí)現(xiàn)尺寸小于波長的亞微米或納米操作; 只有在材料的聚焦點(diǎn)才能獲得較高的功率密度,從而使
11、得飛秒加工過程具有嚴(yán)格的空間定位選擇能力。232021/8/14 5)加工能量的低耗性 脈沖持續(xù)時(shí)間非常短,能量在時(shí)間上高度集中例如,用10 fs脈沖寬度的激光,0.3 mJ能量就可以在直徑為2Lm的焦點(diǎn)達(dá)到1018W/cm2的峰值強(qiáng)度,而用脈寬寬度為10 ns的長脈沖激光,則要300 J的能量才能達(dá)到同樣的峰值強(qiáng)度。因此飛秒激光加工所需的脈沖能量閾值一般為毫焦耳或微焦耳量級,較傳統(tǒng)激光加工消耗的光能量大大降低。242021/8/14 飛秒激光以其獨(dú)特的超短持續(xù)時(shí)間和超強(qiáng)峰值功率正在打破以往傳統(tǒng)的激光加工方法,開創(chuàng)了材料超精細(xì)、低損傷和空間3D加工和處理的新領(lǐng)域。 1、一般金屬的加工 如鋼、銅
12、、鋁等來說具有很高的熱導(dǎo)性和較低的熔點(diǎn)溫度,在其表面實(shí)現(xiàn)高精度和高質(zhì)量的鉆孔有很大困難。四、飛秒激光加工的應(yīng)用252021/8/14 德國漢諾威激光中心的B.N.Chickov研究小組在真空靶室中放置100mm 厚的鋼片然后分別將能量為1mJ寬度為3.3ns和能量為120uJ寬度為200fs的聚集激光對其表面進(jìn)行加工,經(jīng)過104個(gè)脈沖照射后,比較兩者的處理結(jié)果具有顯著的不同。納秒(左)與飛秒右的加工對比圖262021/8/14 2、一些難熔性金屬 如錸鉬鎢等,傳統(tǒng)的長脈沖激光很難完成對它們的精細(xì)加工。美國 clark公司應(yīng)用150fs激光在 100um厚 熔點(diǎn)溫度為3180度的錸材料上實(shí)現(xiàn)了直
13、徑為110um的精確鉆空,與應(yīng)用8ns激光進(jìn)行加工的情況相比,避免孔徑周圍熱應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋產(chǎn)生。納秒和飛秒對高熔點(diǎn)金屬錸的加工272021/8/14 3、一些電解質(zhì)材料 如硅晶片的切割,現(xiàn)代微電子電路集成度的增加使晶片變得非常脆弱,傳統(tǒng)的機(jī)械切割技術(shù)已不太適用,成熟的化學(xué)或等離子刻蝕對加工形狀和結(jié)構(gòu)的選擇有限定,長脈沖激光也很難實(shí)現(xiàn)對硅的加工。飛秒激光以其獨(dú)特的除熱和消機(jī)械應(yīng)力的加工特性給硅材料的切割等處理技術(shù)帶來了新的希望。2003年加拿大科學(xué)家M.Meunier等人采用光譜物理公司生產(chǎn)的重復(fù)率為1KHz的鈦寶石再生放大系統(tǒng),將輸出波760820nm 能量約 1mJ持續(xù)時(shí)間小于120fs的脈沖激光對厚度僅為50um的硅晶片實(shí)現(xiàn)了高精度切割。如圖右。飛秒激光對硅表面的切割282021/8/14 4、對聚合復(fù)合物材料的加工 傳統(tǒng)的方法通常采用短波長紫外光引發(fā)的聚合反應(yīng),主要缺點(diǎn)就是加工精度較低和空間加工能力差。飛秒激光光聚合反應(yīng)對介質(zhì)很好的穿透性,適合進(jìn)行深層次的三維超精細(xì)結(jié)構(gòu)制作。2001年日本大阪大學(xué)應(yīng)用物理系Satoshi Kawata教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在快速實(shí)現(xiàn)亞衍射極限的激光微米P納米三維制作方面取得了重大進(jìn)展。4他們將鈦寶石再生放大器輸出
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