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激光与固体之间的相互作用机理

2013.05.09 437 字号
   我们首先来看激光与固体之间的相互作用机理:
 
  (1)激光首先激发的是固体的电子,在100 fs内电子吸收光子的能量而跃迁到高能级;
 
  (2)由于电子相对于晶格的温度更高,因此其处于非平衡态。为了达到平衡,电子会在1ps内将能量传递给晶格;
 
  (3)在10ps时间内,这些能量将被逐步传递到材料内部。
 
   因此,对于10 ps左右的皮秒激光加工,材料有足够的时间把热量传递到其内部,然后才发生刻蚀作用,因此热效应实际上无法避免。而对于飞秒激光,脉冲作用时间已经小于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,因此出现强烈的刻蚀效果。也就是说,当激光脉宽远远小于晶格的受热时间时,烧蚀时间不依赖于激光脉宽。图1为长脉冲激光与飞秒激光对比。

    从上面三个阶段,我们可以看到,激光加工的发展与激光器的发展基本上是同步的,一个新的技术突破,就可能迎来激光工业应用的飞跃,当然,也会带来新的疑问:
 
  第一,皮秒激光器既然无法完全避免加工时的热效应,那么是否它对精细加工就没有意义,或者说已经失去了存在的价值和必要性?
 
  当然不是。皮秒激光虽然无法实现精细的冷加工,但相对于飞秒激光器,价格较低,且结构相对简单,功率较高。因此,对于这样一个超短脉冲技术的过渡性产品,如何充分利用就值得我们思考了。目前值得借鉴的方法是,将皮秒激光进行三倍频,利用紫外光与材料的“光蚀”作用,高能量的光子通过“冷”处理直接破坏材料的化学键,从而减小加工的热效应,实现“冷”加工。目前,该系统对于透明性材料加工有较大的优势。此类激光器很多,例如Photonics industry公司的15 ps的355 nm激光器。
 
  第二,飞秒激光器能够实现非热刻蚀,那是不是脉冲宽度越短,加工越精细呢?实际上,刻蚀效果与六个主要因素有关:平均功率、脉宽、波长、谱宽、单脉冲能量、频率。
 
  一般来说,脉冲宽度越短,就越难获得高平均功率。因此,从这方面来说,短脉冲是以牺牲平均功率为代价的。
 
  另外,脉冲宽度越窄,谱宽就会越大。因此,色差也会影响加工效果。
 
  其次是波长的影响,对于一般材料而言,波长对刻蚀效果影响不大,只有在对透明材料(如SiO2)进行加工的时候才考虑,而且应该考虑波长的问题。如前面所说,透明材料对紫外光有强烈的吸收,而对于可见和红外光的透过率却很高。因此通常将超快激光的三倍频光用于加工。对于几十飞秒的激光器而言,光谱宽度达到20 nm,甚至是50 nm,因此三倍频效率非常低。而皮秒激光器却能获得较高的三倍频率输出。
 
  频率则会影响加工速度。一般来说是越高越好,但是通常只有振荡器才是80 MHz左右,而振荡器的单脉冲能量太低,因此需要放大,放大器的频率一般从1 kHz到几百千赫兹不等。
 
  因此,对于超快激光加工,不能盲目追求超短脉冲,必须看实际的需求。而且脉冲极短而高功率的飞秒激光器,价格不菲。就目前的精细加工需求而言,百飞秒级,几百千赫兹频率的激光器应该是足够应对通常的精细加工需求,例如JENOPTIK公司的D2.fs工业级激光器(4 W,400 fs,300 kHz,1025 nm,20 μJ @ 200 kHz)。而且该激光器采用光纤激光器振荡器,能够做到长寿命、免维护,这是一个亮点。从指标、价格、稳定性、综合性价比来看,该激光器是非常不错的。
 
  近两年,飞秒激光技术得到了迅速提高,我国经济也稳步发展,国外更多的先进产品涌进来。例如KMlabs的12 fs振荡器和峰值功率太瓦级放大器,menlosystems的飞秒光纤激光器,Lumera和photonics industry的皮秒激光器等就是比较成功的几款商品化的超快激光器。(以上由金属激光切割机编辑整理详情见www.gnlaser.com)