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简要分析飞秒加工的特点

  2020-09-18         Chris         8822

飞秒激光器是一种脉冲宽度为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。

飞秒激光器是一种脉冲宽度为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,被加工物体的物质成分、结构和形态,甚至物质的环境条件如温度和大气。

 

技术原理

   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)。这里需要注意的是,这是指单脉冲或脉冲频率较低的情况,但也相对而言,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)。当激光通过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激光器一般采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则采用电子激发引起的化学键的切断。

 

   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。

 

    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。因此广泛应用于微电子、航空航天等工业领域,也应用于医疗,如近视矫正、脑外科等。

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