飛秒,皮秒以及納秒激光器切割固體

1、飛秒，皮秒以及納秒激光器溶解固體摘要：0.25000ps激光溶解固體題目：藍寶石激光脈沖的開發(fā)、模型以及其性質的展示。飛秒激光對精密材料進行加工的優(yōu)勢也進行了討論和展示。正文：高效的利用激光對精密材料進行加工離不開對于調解激光輻射與物質之間相互影響的重要規(guī)律的知識。為了實現(xiàn)這一目標，激光與物質之間相互影響的系統(tǒng)研究是必要的。由于現(xiàn)在激光系統(tǒng)的進步，尤其是那些基于啁啾脈沖擴展技術，這樣系統(tǒng)的研究已經在非常廣泛的激光領域成為可能。CPA系統(tǒng)能夠使激光脈沖持續(xù)時間從大約100飛秒變至幾十納秒，而其他特性不改變。這就允許我們對多種不穩(wěn)定的激光與物質之間相互影響的過程進行細致的分析。舉些例子，最近的學術

2、研究對于損傷閾值、分割閾值以及高強度激光溶解都有提及。這個系統(tǒng)的研究只是剛剛開始，更多的研究將會幫助我們了解和證實飛秒激光系統(tǒng)對于精密材料加工的潛質。最近進行的一些關于飛秒和納秒脈沖溶解固體的實驗。飛秒激光的染色和受激分子激光系統(tǒng)對精密材料加工的優(yōu)勢已經體現(xiàn)無疑。在這一研究報告中，我們展示了激光溶解和打孔技術的商業(yè)用途，藍寶石激光提供了一個780nm，能量為100mJ，持續(xù)時間可在0.25000ps進行變化的激光系統(tǒng)。實驗處于一個低影響的體系中，在其中，只是很少量的超出蒸發(fā)閾值。這個體系對于溶解精密固體實驗意義非凡，這樣一來，固體內的能量沉積和熱影響區(qū)域都會被降到最低。我們討論和舉例飛秒激光脈

3、沖的優(yōu)點，希望能刺激在這個領域新的研究。第一部分中，我們將展示三種不同持續(xù)時間的脈沖在低影響條件下溶解金屬的特點：飛秒，皮秒以及納秒激光器這三種實驗對象。關于實驗的配置和結果，我們將在第二部分中給出。1、理論知識背景在低強度的短波激光脈沖作用于金屬物時，由于反方向的韌制輻射，激光的能量會被自由電子吸收。然后，被吸收的激光能量需要在電子系統(tǒng)中熱能化，將能量傳輸?shù)骄Ц裰?，由于電子的熱量傳輸給了溶解目標，導致能量流失。如果我們假定，在電子系統(tǒng)中的熱能化是非常快而且其電子和晶格系統(tǒng)都以熱量為表征（&），那么能量進入金屬中的過程就可描述為一維下，以兩個溫度為變化量的擴散模型：在上式中，z為與固體

4、目標表面垂直的一個分量，Q(z是熱流量，S為激光加熱源項，I(t是激光光強，A=1-R和分別是材料表面透射率和材料的吸收常數(shù)，和分別是電子和晶格系統(tǒng)的單位體積比熱容，是電子-晶格耦合的特征參量，是電子的熱導率。在上式中，忽略了晶格系統(tǒng)中的熱導率。電子比熱容遠遠低于晶格比熱，因此電子會被加熱到一個非常高的瞬時溫度。當電子的溫度（單位能量）殘留小于費米能量時，電子比熱容和非平衡態(tài)的電子比熱容可以用公式（其中是常量）和（其中是金屬物正常平衡態(tài)下的比熱容）。耦合系數(shù)和最新的測量結果在資料中給出。方程（1-3）中有三個特征時間量、和，其中是電子的冷卻時間，是晶格的加熱時間（），而是激光脈沖的持續(xù)時間。這

5、三個參數(shù)定義了激光和金屬相互作用的三種不同環(huán)境，分別稱為飛秒，皮秒和納秒環(huán)境。飛秒脈沖首先我們考慮到激光脈沖持續(xù)時間小于電子冷卻時間，。對于，可寫成，忽略掉電子-晶格耦合。所以（1）式可以很容易的解得。由于用一般解法解決此式會非常繁瑣，所以在我們的公式里忽略電子熱導率。這樣就能得出，在條件滿足，則就是電子熱能擴散系數(shù)。可將（1）式還原成為可得到這里是假定的常數(shù)，而是初始溫度。最終激光脈沖電子溫度有下式給出規(guī)定，是激光吸引的影響，是表面厚度。激光脈沖引起的電子和晶格的溫度變化由公式(1-3描述，其中S=0.電子和晶格的初始溫度條件由（6）式給出，其中。由于能量傳輸?shù)骄Ц?，熱量導入了物體的其他地方

6、，在激光脈沖后，電子得以快速冷卻。因為電子冷卻時間很短，（2）式就能寫成（此處初始晶格的溫度被忽略了）。晶格可到達的溫度已經由電子平均冷卻時間決定了，可以得到關于金屬電子收到飛秒激光照射后的熱運動，在去年已經進行了集中的研究。研究展示了在1ps內，電子的快速冷卻同時有大量能量傳輸?shù)骄Ц裰?。實驗揭示了當增長到大于出現(xiàn)明顯的蒸發(fā)現(xiàn)象，其中的是密度，為單位體積物體的蒸發(fā)熱量。利用（7）式，可寫出出現(xiàn)此蒸發(fā)現(xiàn)象所需的條件其中，是飛秒脈沖產生蒸發(fā)的閾值激光能量密度。而激光溶解深度百分比由L表示這個對數(shù)的得出依賴于激光能量密度所對應的溶解深度已經由激光溶解有機聚合物中給出了。由于用飛秒激光進行溶解時，接

7、觸到固體的時間非常短就能完成溶解過程，所以把這個過程看作固體直接氣化（或者固體直接液化）。這時的晶格在1ps內被加熱，結果就是物體變?yōu)闅鈶B(tài)或者離子態(tài)，繼而在真空中快速的擴散。整個過程的熱傳導在一次近似中就被忽略掉了。實踐證實了，飛秒激光加工的利處在于能夠給金屬（以及其他固體）加工提供一個精確而又干凈的加工過程。皮秒脈沖現(xiàn)在我們開始討論皮秒激光溶解技術，所有結論都建立在以下條件之上。由得到，（1）式的電子溫度變成穩(wěn)定的，（1-3）式可化為（2）式為晶格溫度，寫為積分形式。方程描述了被激光溶解的金屬在下的受熱情況。當條件被滿足時，由于電子溫度是穩(wěn)定的，則（11）式可被簡化。忽略，就得到公式表明。在

8、飛秒環(huán)境下，晶格溫度的保持遠少于電子溫度。這就允許我們在公式（10）中忽略晶格溫度。當條件滿足，對（10）式和（12）式的分析就變得十分簡單了。在此情況下，由于能量轉移至晶格中，導致電子冷卻。電子溫度和晶格溫度在激光照射后由公式給出。我們注意到，晶格在被激光照射后所能達到的溫度又能由電子冷卻時間決定。有，激光照射過后的晶格溫度和理論上可達到的晶格溫度基本相等。在飛秒和皮秒條件下，（7）式和（13）式表示晶格溫度的式子是相同的。因此，（8）式中給出的關于強蒸發(fā)的條件，（9）式中，脈沖的能量密度閾值和溶解深度均不改變。這樣的話，在皮秒范圍內，溶解深度和激光能量的對數(shù)依然成立。在我們的推導中，都忽略

9、了被溶解物中電子的熱傳導。這樣的假設在描述皮秒范圍內激光溶解金屬的研究中就顯得很粗略。在此條件下的激光溶解都伴有電子熱傳導和金屬內部被融化區(qū)域的形成。盡管如此，在表面區(qū)域我們仍將蒸發(fā)看作由固體直接氣化（或者固體直接液化）的變化過程，而在內部的液化只是降低了溶解過程的精確性（見下篇）。納秒脈沖在此簡單討論下納秒激光溶解技術，以下各式均滿足條件。如此，電子和晶格溫度就有，（1-3）式就簡化為各種實驗和理論的研究指出，激光會對金屬目標加熱。在此激光范圍內，被吸收的激光能量先加熱金屬表面至熔點，然后再至蒸發(fā)溫度。比起融化，金屬蒸發(fā)需要更多的能量。在整個過程中，主要的能量缺失在熱傳導入被溶解物的時發(fā)生的

10、。熱量穿透深度由決定，D是熱散失系數(shù)，。注意到長波脈沖溶解金屬的普遍條件為。被溶解金屬內單位體積的能量存儲量是。當時間，能量變的比蒸發(fā)熱所需能量更多，蒸發(fā)現(xiàn)象就這樣發(fā)生了。由條件可得到。如此可知，強蒸發(fā)發(fā)生的條件就是（或表示為），就可以寫成公式分別寫出了激光強度和能量密度。閾值激光密度是隨著長波脈沖的蒸發(fā)而增長，增長率為。長波激光脈沖溶解需要足夠時間，使熱流傳到金屬中而且相對比較深層的融化原料。由于液態(tài)金屬的蒸發(fā)現(xiàn)象，在真空中使用納秒激光精確的溶解金屬是非常困難的。2、實驗方案以及結果現(xiàn)在我們討論低能量密度激光溶解物體的實驗結果。藍寶石激光系統(tǒng)基于啁啾激光的擴展技術。在材料【22】中對重要的步

11、驟進行了細致的描述。這個系統(tǒng)提供給780nm波長的激光脈沖高達100mJ的能量。由于CPA技術，脈沖持續(xù)時間的變化范圍能夠從200fs到400ps。但脈沖持續(xù)時間與脈沖寬度無關，脈沖寬度始終不變（約為8nm）。脈沖持續(xù)時間的度量，如果低于10ps，由一種自相關器給出，而高于10ps的則由一臺快速皮秒相機來進行測量（Hadland，IMACON 500）。當再生放大器沒有被使用的時候，脈沖寬度在3-5ns的激光會被飛秒振蕩器捕獲（Coherent,MiraBasic）。再生放大器的運作與振蕩器相同，而且對一些特別寬度的脈沖會特別的方便。納秒脈沖持續(xù)時間會由一個光電二極管分別連接到一個快速采樣示波

12、器和一個快速移動相機上。實驗在低能量密度的環(huán)境（）中進行，并以成像幾何的方法顯示出來。把一個狹縫（）放置在光路上，就會被一個焦距為140mm得石英透鏡映射到目標物體表面成像（縮小倍數(shù)約為）。激光通路的直徑約為20mm。如同用鋼，銅，氮化鋁或是硅等板材作為溶解目標。這些板材至于至于真空環(huán)境中，且周圍壓力低于，并由電腦控制其x,y,z坐標軸的位置。那些鉆透目標板材時所需要的關于脈沖的數(shù)據，由一個安裝在目標物上的光電二極管控制著。最開始，我們對激光作用于金屬目標提出結論。對厚度的鋼泊（在真空中）以不同的頻率的激光脈沖進行打孔，分別是：飛秒，皮秒和納秒。圖1為飛秒脈沖溶解的示意圖，還有以頻率為200f

13、s,激光能量為，的激光所打出的孔的照片。圖1、上方為飛秒脈沖溶解的示意圖。下方為以頻率為200fs,激光能量為，的飛秒激光對厚度為的鋼泊進行打孔的SEM照片。就像我們看到的一樣，沒有融化金屬的痕跡。只有一些氣體塵埃環(huán)繞在孔的周圍。圖2是納秒激光脈沖溶解示意圖，還有分別以頻率為80ps，能量為，的激光脈沖以及頻率為3.3ns，能量為1mJ,的激光脈沖打出的孔的照片。圖2、上方為納秒激光脈沖溶解示意圖。下方a圖為以頻率為80ps，能量為，的激光脈沖打出的孔的照片，b圖為頻率為3.3ns，能量為1mJ,的激光脈沖打出的孔的照片。能夠清楚地看的金屬融化的痕跡。顯示的液體痕跡說明了打孔過程不穩(wěn)定（看圖2

14、a）。由于用納秒脈沖進行溶解，使熱有足夠的時間傳播進入金屬目標，同時產生相對較大的熔融層。目標材料的氣態(tài)和液態(tài)并沒有什么關聯(lián)，所以在其汽化過程中會產生反沖壓力排出液體。圖2b中可以清楚地看到由于反沖氣體的壓力而產生的類似于“日冕”的物體。在我們使80ps和3.3ns激光脈沖能量密度盡可能的低的條件下，這是我們所能得到的最好結果。如果再削減激光能量密度的話，在真空中鉆透的鋼板就是不可能的了。在我們增添對飛秒激光溶解不同金屬的說明之前，先來了解下二次諧波。二次諧波被用于降低衍射效應和提高成像質量。圖3，是在溶解過程中把頻率250fs，能量0.5mJ,的激光脈的沖次數(shù)增加a）10，b）100，c）1

15、000，d）5000所產生的不同效果。目標是一厚度為0.5mm的鋼板。在圖3c中可以清楚地看到產生出的特殊結構。這些機構的出現(xiàn)是由于蒸發(fā)的不穩(wěn)定造成的。圖3a-d、頻率為250fs，能量0.5mJ，二次諧波輻射（）和次數(shù)分別為（a）10,（b）100,（c）1000,（d）5000的飛秒激光溶解厚度0.5mm的鋼板的溶解過程。圖4為飛秒激光溶解1mm厚度的銅板時的過程圖，分別使用了（a）10,（b）100,（c）1000和（d）30000次脈沖。圖4、飛秒激光溶解1mm厚度的銅板時的過程圖，分別使用了（a）10,（b）100,（c）1000和（d）30000次脈沖。激光的特征參數(shù)與圖3中的相同。圖5展示了（a）10，（b）100，（c）5000，（d）10000次脈沖溶解0.3mm厚的硅。被燒灼的材料再次沉積在目標的表面，而這些沉積物比溶解金屬時產生的那些還要堅硬的多。圖5a-d、（a）10，（b）100，（c）5000，（d）10000次脈沖溶解0.3mm厚的硅。激光特征參數(shù)和圖3中所用相同。圖6是（a）10，（b）1000和（c）35000次激光脈沖溶解0.8mm厚的氮化鋁的示意圖。圖4、5和6之中的激光特征參數(shù)都可視為與圖3中所用的激光相同。圖6、（a）10，（b）1000和（c）35000次激光脈沖溶解0