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区分飞秒加工和普通加工

  2020-07-21         Chris         7310

飞秒激光器是脉冲宽度为1-1000 Fs (1 Fs =10-15s)的激光器。其他激光器是脉冲激光器或脉冲宽度为1000fs (1ps)的连续激光器。
飞秒激光器是脉冲宽度为1-1000 Fs (1 Fs =10-15s)的激光器。其他激光器是脉冲激光器或脉冲宽度为1000fs (1ps)的连续激光器。
激光加工过程中需要考虑的是激光的波长、能量(或功率)、脉宽、频率、脉冲频率、偏振和相位,还应该考虑聚焦系统和扫描速度和方向,被加工物体的物质组成、结构和形式,甚至物质的环境条件如温度和大气。脉冲宽度是影响激光性能的重要参数之一。为了简单起见,下面的讨论假设除了脉冲宽度之外,所有其他条件都是相似的(很难保持)。飞秒激光器主要是指钛宝石和掺杂Yb3+晶体和光纤激光器,目前主要使用的近红外飞秒激光器的波长在1 m附近。
昂贵的
飞秒激光目前应用于切割、钻孔、焊接、划线、剥皮、修补等加工领域,但应用并不十分普遍。一是在很多情况下,其他激光器都工作得很好,二是飞秒激光器很贵。飞秒激光器比长脉冲激光器和连续激光器昂贵得多。其他参数相似的飞秒和皮秒激光器有时相差数十万元。
原因:
1)宽谱增益介质,如钛宝石,需要产生超短飞秒脉冲。增益介质的带宽决定了最终脉冲的宽度。因此,对飞秒激光增益介质提出了更高的要求。现在主要是钛宝石,掺杂了一些Yb3+晶体和玻璃纤维。
2)飞秒激光脉冲一般需要锁定膜技术来实现,用于加工大型飞秒脉冲的脉冲能量将需要进一步低飞秒脉冲的脉冲能量脉冲展宽-再生放大器压缩技术实现飞秒激光系统使用啁啾镜的光学部件,如精细处理和高功率泵源,激光系统比较复杂。


飞秒激光加工的优点:
飞秒处理有很多优点,首先体现在其精度高,基于多光子吸收和阈值效应的特点,处理中的热效应可以忽略(即往往强调冷处理)。需要注意的是,这是指单脉冲或脉冲频率较低的情况,也相对而言,这里忽略了激光的波长和物体材料的特性。
飞秒激光器的脉冲宽度较短,理论上可以在较低的脉冲能量下获得极高的峰值功率(脉冲能量/脉冲宽度)。当激光用物镜对材料进行进一步聚焦时,由于聚焦附近的高能量密度,会引起各种强非线性效应。
激光加工可以看作是一种激光诱导反应,其原理可分为诱导分子振动和电子激发。前者是热反应,而后者与组成物质的原子壳层中的电子所形成的化学键相互作用。考虑到物质的能带结构,长波长激光器如CO2激光器利用分子振动引起的热反应,而短波长激光器如准分子激光器利用电子激发引起的化学键剪切。
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,但焦点附近的光强度非常高,通过吸收多个(n)光子同时,将发挥短光的波长(λ/ n)材料在材料产生同样的效果,实现由微观结构的空间选择性控制,而且不影响表面结构,这是飞秒激光处理的另一个优点。
由于涉及到许多非线性过程,这些现象往往超出我们的预测和想象。当飞秒激光与材料相互作用时,我们考虑了在激光波长内没有线性吸收的介质。首先,激光能量通过多光子吸收或电离沉积在电子系统中,然后经过一系列的能量转移和传输过程,导致材料发生一系列的变化。一般来说,在激光辐照下,电子吸收光子的激发时间FS范围内(脉冲过程中的行动),其次是电子声子耦合,和能量传递的晶格和晶格热平衡的订单几美元到几十ps.The热扩散时间尺度和材料融化随不同的材料,材料表面烧蚀形成时间从几百Ps到NS不等。

    在纳秒和皮秒激光的作用下,电子气体中沉积的激光能量在激光脉冲照射材料的时间内被传输到晶格中,从而引起材料的加热、熔化甚至烧蚀。在此过程中,热效应明显。然而,飞秒激光的脉冲宽度小于电子-声子相互作用的时间尺度,电子气体中沉积的激光能量没有时间传输到离子激光脉冲。此时,电子气体的温度很高,而离子的温度很低。材料具有“冷”烧蚀过程,抑制了流体力学效应、热效应等。加工精度高。比较了脉冲宽度对激光加工的影响。1表明飞秒脉冲处理结构比较陡峭和干净,存在皮秒和纳秒激光器热效应造成的脊和残差。正是由于飞秒激光的高精度和“冷加工”特性,它可以广泛应用于微电子、航空航天等工业领域,也可用于医疗,如近视矫正、脑外科等。

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