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飞秒激光技术,正在引发微细加工和生命科学领域的高度关注
来源: | 作者:huaraylaser | 发布时间 :2018-09-30 | 2188 次浏览: | 分享到:
  现在,各种激光器已经被广泛应用于工业加工和医疗领域,而飞秒超快激光作为高端微纳加工和生命科学领域的理想光源,正逐渐引发市场的高度关注。
  
  一、激光与物质之间的相互作用过程大致为:
  
  1、在100 fs的时间内电子吸收光子的能量而跃迁到高能级;
  
  2、为了达到平衡,电子会在1 ps的时间内将能量传递给晶格;
  
  3、在10ps的时间内,这些能量将被逐步传递到材料内部。
  
  对于飞秒激光而言,脉冲作用时间已经实际小于1ps,电子没有足够的时间将能量传递给晶格。从而在材料表面生成众多等离子体,能量伴随着材料的去除而消散,因此出现强烈的烧蚀效果。
  
  用飞秒激光进行加工,激光脉冲能量极快地注入很小的作用区域,瞬间高能量密度沉积使电子吸收和运动方式发生变化,从根本上改变了激光与物质相互作用机制。
  
  飞秒激光加工时存在着准确的多光子吸收阀值。从光和物质相互作用的角度而言,飞秒激光是在极短的时间、极小的空间尺度、极端的物理条件下对物质进行加工,其过程与传统的激光加工线性吸收不同,主要涉及多光子吸收。
  
  只有超过多光子吸收阀值的照射区域,才会出现明确的加工行为。飞秒激光加工可以实现小于焦点光斑尺寸的精度加工,原因在于多光子吸收的光强依赖性。
  
  二、飞秒激光脉冲在微细加工中具有许多独特的加工优势,主要表现在:
  
  1、飞秒激光加工的组织中没有熔融区,没有重铸层,不产生微裂纹。这是飞秒加工的最重要特征。它避免了热熔化的存在,实现了相对意义上的“冷”加工,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。
  
  2、飞秒激光加工精度高,不受光的衍射极限的限制,具有很高的空间分辨性。
  
  3、飞秒激光加工对材料没有选择和限制性,可以对任何材料进行精细加工、修复和处理。
  
  4、飞秒激光加工需要的脉冲能量阀值极低,一般只有毫焦耳量级,这决定了加工的能量低耗性。
  
  5、飞秒激光加工精度高,不受光的衍射极限的限制,具有很高的空间分辨性。
  
  三、飞秒激光在微纳加工的应用包括:
  
  1、飞秒激光能对石英、玻璃、晶体、光纤等各种透明材料内部进行三维加工和改性。激光光强大于多光子吸收阀值时,会激发透明材料对光子能量的吸收。迅速升温然后骤然降温,可导致光学透明材料折射率的变化。
  
  2、通过飞秒激光双光子聚合微细加工技术来实现聚合物的制备。通过双光子聚合反应,并同时产生固化,生成大分子的聚合物,这样就得到了需要的三维结构制件。
  
  3、在生物医学领域,作为超精密外科手术刀,飞秒激光可用于视力矫正手术;也可用于无痛牙科治疗,可以避免了因温度变化引起的神经痛感。
  
  4、在材料制备方面,飞秒激光应用于脉冲激光沉积领域,可以进行新材料薄膜制备。
  
  在100μm厚的不锈钢薄片上钻孔,飞秒激光的加工效果明显好于纳秒激光(图1),非常干净。


  
  图1 纳秒脉冲和飞秒脉冲在100 μm厚的不锈钢薄片上的钻孔效果对比,3.3ns对200fs,1万个脉冲,烧蚀阈值附近
  
  图2给出了利用飞秒和皮秒脉冲在0.5 mm厚的铜片上钻孔所需的脉冲数。结果表明:飞秒(亚皮秒)脉冲的材料去除过程更高效。


  
  图2 飞秒和皮秒脉冲在0.5 mm厚的铜片上钻孔所需的脉冲数。脉冲能量:30 μJ
  
  在激光脉冲重复率接近兆赫兹,并具有较高的平均功率的情况下,用于加工金属时,飞秒脉冲似乎比皮秒脉冲更有利。在用19 ps的激光脉冲钻的孔,观察到一个薄的熔融层。而用800 fs脉冲的时候,得到一个干净的烧蚀区(图3)。
  


  图3 19 ps(a)和800 fs(b)脉冲在铜片上钻孔。重复频率 975 kHz;脉冲能量:50 μJ
  
  透明材料的焊接是一个在各个行业不可或缺的制造工艺,包括精密机械、医疗、光电产业等。
  
  与用于微焊接的传统激光器不同,飞秒激光以高峰值强度的固有特征,利用独特的非线性吸收机制,在没有插入中间层的情况下,可以直接焊接透明材料,如熔融石英(软化点,1720℃)与 SiC晶圆(熔点,3100℃)的焊接。光学接触的熔石英和碳化硅在下面的条件下被直接焊接在一起:
  
  1) 激光脉冲:50 kHz,240 fs,800 nm;
  
  2)焊接速度和脉冲能量分别为0.5 mm/s和1 μJ。
  
  硬而脆的材料,如蓝宝石对下一代触摸屏或被作为LED生长的基底是很重要的。实验表明:不像皮秒脉冲,飞秒脉冲(<700 fs)可以在蓝宝石当中用来控制单一的裂缝方向(如图4所示)。




  
  图4 裂纹形貌与激光脉冲宽度的依赖关系
  
  与固体飞秒激光器相比,光纤飞秒激光器有很多优点:结构紧凑、高集成、高稳定、免维护、免调试;高增益、低阈值、高转换效率;散热性能良好;高光束质量。光纤激光器是实用化激光光源的重要方向。
  
  掺镱(Yb)增益光纤非常适合于中心波长在1μm的光纤激光器(图5)。它的主要优点包括:能用半导体激光抽运(860-1050 nm);宽增益带(970-1200 nm);高饱和能量(35 J/cm2);高抽运效率;无激发态吸收等。


  
  图5 掺镱(Yb)增益光纤的吸收与发射光谱
  
  啁啾脉冲放大技术是飞秒激光脉冲放大的必要手段。它的基本原理是在脉冲放大之前在时域上对其展宽,以避免脉冲畸变和光学损伤。然后将脉冲能量放大, 最后利用光学元件(棱镜、光栅)对脉宽再压缩(图6)。
  


  图6 飞秒激光器结构示意图
  
  实用化的光纤飞秒激光器如图7所示。它由光纤锁模振荡器、光纤脉冲展宽器、光纤功率放大器及光栅脉冲压缩器构成。
  


  图7 光纤飞秒激光器结构示意图
  
  在固体飞秒激光器中常用的体光栅脉冲展宽器,由于体积大、稳定性差、难耦合进单模光纤,并不适合用于光纤飞秒激光器。
  
  如果单模保偏光纤能够用作脉冲展宽器,这些问题就会得到解决。但是通常情况下,单模保偏光纤和体光栅脉冲压缩器都有正的三阶色散,不能相互补偿,因此脉冲压缩效果很差。
  
  直到利用由功率放大器产生的非线性相位移动来补偿光纤脉冲展宽器和光栅压缩器的3阶色散,适合于工业/医疗应用的稳定可靠的光纤飞秒激光器才得以实现。
  
  作为光纤飞秒激光器应用的典型例子,美国IMRA公司和德国Carl Zeiss公司合作开发的眼科工具–VisuMax(图8)所用的全飞秒激光手术技术是目前全球最先进的角膜屈光手术方式。


  
  图8 德国Carl Zeiss公司的眼科激光手术仪-VisuMax
  
  四、为了开发脉冲能量和平均功率更高的光纤飞秒激光器,我们需要:更长的被展宽脉冲;更大孔径的增益光纤;尽可能短的增益光纤;高阶模损耗大的增益光纤;更高衍射效率和损伤阈值的光栅。
  
  国家也非常重视飞秒激光技术在中国的发展,在“十三五”国家重点研发计划—“增材制造与激光制造”专项中,列入了《工业级皮秒/飞秒激光器关键技术研究及产业化》项目,由武汉华日激光牵头,联合了中科院上海光机所、华中科技大学、锐科公司、华工激光共同完成。
  
  这一研发项目完成后,将从理论上解决全光纤飞秒激光器的系统优化问题,技术上实现大口径光纤啁啾脉冲放大技术和创新的时空整形及聚焦技术。最终能实现核心器件的全自主研发和批量供应,飞秒激光器必将达到世界先进水平并打破国外垄断,满足工业高产出率和高质量的要求,带动上下游技术革新和产业化发展,服务中国制造2025。

作者:刘振林 武汉华锐超快光纤激光技术有限公司