飛秒激光加工技術(shù)ppt課件(PPT 31頁(yè))

1、飛秒激光加工技術(shù)機(jī)研133張國(guó)召.第1頁(yè)，共31頁(yè)。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.第2頁(yè)，共31頁(yè)。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(jí)上，在高能級(jí)上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會(huì)從高能級(jí)跳到（躍遷）到低能級(jí)上，這時(shí)將會(huì)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(jiǎn)稱激光。一、什么是飛秒激光.第3頁(yè)，共31頁(yè)。 這是我們我們生活中常見(jiàn)的激光器。屬于半導(dǎo)體激光器。.第4頁(yè)，共31頁(yè)。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(wàn)億秒。我們知道宇宙年齡有多大？ 答

2、案： 140多億年。一小時(shí)相對(duì)宇宙年齡有多短？答案：810-15 也就是說(shuō)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。.第5頁(yè)，共31頁(yè)。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(wàn)千米，但它在100飛秒的時(shí)間內(nèi)，只能通過(guò)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(jiàn)光-近紅外波段）。.第6頁(yè)，共31頁(yè)。連續(xù)激光脈沖激光.第7頁(yè)，共31頁(yè)。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(wàn)億瓦，比目前全世界的發(fā)電總功率還要多出上百倍;2)、物質(zhì)在飛秒激光的作用下會(huì)產(chǎn)

3、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(huì)變成等離子體;.第8頁(yè)，共31頁(yè)。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;.第9頁(yè)，共31頁(yè)。1、普通激光的產(chǎn)生1960年，由Maiman實(shí)現(xiàn)第一臺(tái)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.第10頁(yè)，共31頁(yè)。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)，從而輸出強(qiáng)大的激光脈沖。 2）鎖模技術(shù)鎖模就

4、是將需要的那種組合模式選出來(lái)讓它振蕩，即增益相同時(shí)，讓它的損耗最小。.第11頁(yè)，共31頁(yè)。 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.第12頁(yè)，共31頁(yè)。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(chǎng)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，使脈沖前沿和后沿的損耗大于中部峰值損耗，從而使脈沖壓縮

5、。這種脈沖光在腔內(nèi)循環(huán)被放大與壓縮，并通過(guò)增益競(jìng)爭(zhēng)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。.第13頁(yè)，共31頁(yè)。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.第14頁(yè)，共31頁(yè)?？藸柾哥R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(guò)腔內(nèi)的孔，即對(duì)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(guò)克爾介質(zhì)的自聚焦效應(yīng)和孔共同作用產(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

6、依賴于光強(qiáng)的透鏡，該透鏡對(duì)脈沖強(qiáng)的部分有更強(qiáng)的聚焦，使其幾乎無(wú)損耗地通過(guò)孔。.第15頁(yè)，共31頁(yè)。（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(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)能力，但在可見(jiàn)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(guò)程和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)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)

7、諧范圍，更大的飽和增益通量和更長(zhǎng)的激光上能級(jí)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。.第16頁(yè)，共31頁(yè)。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(zhǎng)時(shí)間里始終沒(méi)有跨越皮秒級(jí)，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(zhǎng)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，

8、負(fù)色散和全光學(xué)，其波長(zhǎng)適用于光通信，特別適用于孤子傳輸?shù)难芯俊?第17頁(yè)，共31頁(yè)。1、加工機(jī)理飛秒激光脈沖和材料作用過(guò)程中,材料中的電子通過(guò)對(duì)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?jī)H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(guò)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(jí)(10-15s),遠(yuǎn)小于材料中受激電子通過(guò)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、飛秒激光加工機(jī)理.第18頁(yè)，共31頁(yè)。同時(shí)飛秒量級(jí)脈沖有著非常高的瞬時(shí)功率,產(chǎn)生的光

9、電場(chǎng)強(qiáng)度比原子內(nèi)部庫(kù)侖場(chǎng)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(duì)材料的非熱熔性加工.第19頁(yè)，共31頁(yè)。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(duì)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(wú)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，大大減弱和消除了傳統(tǒng)加工中熱效應(yīng)帶來(lái)的諸多負(fù)面影響。.第20頁(yè)，共31頁(yè)。3）加工過(guò)程的準(zhǔn)確

10、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(zhǎng)脈沖加工過(guò)程中的熔融區(qū)、熱影響區(qū)、沖擊波等多種效應(yīng)對(duì)周圍材料造成的影響和熱損傷，將加工過(guò)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(huì)“傷及無(wú)辜”。.第21頁(yè)，共31頁(yè)。長(zhǎng)脈沖激光加工過(guò)程飛秒脈沖激光加工過(guò)程.第22頁(yè)，共31頁(yè)。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(zhǎng)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，從而使得飛秒加工過(guò)程具有嚴(yán)格的空間定位選擇能力。.第23頁(yè)，共31頁(yè)。5）加工能量的低耗性脈沖持續(xù)時(shí)間

11、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(zhǎng)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(jí),較傳統(tǒng)激光加工消耗的光能量大大降低。.第24頁(yè)，共31頁(yè)。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(kāi)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、鋁等來(lái)說(shuō)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

12、應(yīng)用.第25頁(yè)，共31頁(yè)。德國(guó)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(duì)其表面進(jìn)行加工，經(jīng)過(guò)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(duì)比圖.第26頁(yè)，共31頁(yè)。2、一些難熔性金屬如錸鉬鎢等，傳統(tǒng)的長(zhǎng)脈沖激光很難完成對(duì)它們的精細(xì)加工。美國(guó) 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(duì)高熔

13、點(diǎn)金屬錸的加工.第27頁(yè)，共31頁(yè)。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(duì)加工形狀和結(jié)構(gòu)的選擇有限定，長(zhǎng)脈沖激光也很難實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)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(duì)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(duì)硅表面的切割.第28頁(yè)，共31頁(yè)。4、對(duì)聚合復(fù)合物材料的加工傳統(tǒng)的方法通常采用短波長(zhǎng)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(duì)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重復(fù)頻率76MHz波長(zhǎng)為789nm