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1、飞秒，皮秒以及纳秒激光器溶解固体摘要：0.25000ps激光溶解固体题目：蓝宝石激光脉冲的开发、模型以及其性质的展示。飞秒激光对精密材料进行加工的优势也进行了讨论和展示。正文：高效的利用激光对精密材料进行加工离不开对于调解激光辐射与物质之间相互影响的重要规律的知识。为了实现这一目标，激光与物质之间相互影响的系统研究是必要的。由于现在激光系统的进步，尤其是那些基于啁啾脉冲扩展技术，这样系统的研究已经在非常广泛的激光领域成为可能。CPA系统能够使激光脉冲持续时间从大约100飞秒变至几十纳秒，而其他特性不改变。这就允许我们对多种不稳定的激光与物质之间相互影响的过程进行细致的分析。举些例子，最近的学术
2、研究对于损伤阈值、分割阈值以及高强度激光溶解都有提及。这个系统的研究只是刚刚开始，更多的研究将会帮助我们了解和证实飞秒激光系统对于精密材料加工的潜质。最近进行的一些关于飞秒和纳秒脉冲溶解固体的实验。飞秒激光的染色和受激分子激光系统对精密材料加工的优势已经体现无疑。在这一研究报告中，我们展示了激光溶解和打孔技术的商业用途，蓝宝石激光提供了一个780nm，能量为100mJ，持续时间可在0.25000ps进行变化的激光系统。实验处于一个低影响的体系中，在其中，只是很少量的超出蒸发阈值。这个体系对于溶解精密固体实验意义非凡，这样一来，固体内的能量沉积和热影响区域都会被降到最低。我们讨论和举例飞秒激光脉
3、冲的优点，希望能刺激在这个领域新的研究。第一部分中，我们将展示三种不同持续时间的脉冲在低影响条件下溶解金属的特点：飞秒，皮秒以及纳秒激光器这三种实验对象。关于实验的配置和结果，我们将在第二部分中给出。1、 理论知识背景在低强度的短波激光脉冲作用于金属物时，由于反方向的韧制辐射，激光的能量会被自由电子吸收。然后，被吸收的激光能量需要在电子系统中热能化，将能量传输到晶格中，由于电子的热量传输给了溶解目标，导致能量流失。如果我们假定，在电子系统中的热能化是非常快而且其电子和晶格系统都以热量为表征（&），那么能量进入金属中的过程就可描述为一维下，以两个温度为变化量的扩散模型：在上式中，z为与固体目标表
4、面垂直的一个分量，Q(z)是热流量，S为激光加热源项，I(t)是激光光强，A=1-R和分别是材料表面透射率和材料的吸收常数，和分别是电子和晶格系统的单位体积比热容，是电子-晶格耦合的特征参量，是电子的热导率。在上式中，忽略了晶格系统中的热导率。电子比热容远远低于晶格比热，因此电子会被加热到一个非常高的瞬时温度。当电子的温度（单位能量）残留小于费米能量时，电子比热容和非平衡态的电子比热容可以用公式（其中是常量）和（其中是金属物正常平衡态下的比热容）。耦合系数和最新的测量结果在资料中给出。方程（1-3）中有三个特征时间量、和，其中是电子的冷却时间，是晶格的加热时间（），而是激光脉冲的持续时间。这三
5、个参数定义了激光和金属相互作用的三种不同环境，分别称为飞秒，皮秒和纳秒环境。飞秒脉冲首先我们考虑到激光脉冲持续时间小于电子冷却时间，。对于，可写成，忽略掉电子-晶格耦合。所以（1）式可以很容易的解得。由于用一般解法解决此式会非常繁琐，所以在我们的公式里忽略电子热导率。这样就能得出，在条件满足，则就是电子热能扩散系数。可将（1）式还原成为可得到这里是假定的常数，而是初始温度。最终激光脉冲电子温度有下式给出规定，是激光吸引的影响，是表面厚度。激光脉冲引起的电子和晶格的温度变化由公式(1-3)描述，其中S=0.电子和晶格的初始温度条件由（6）式给出，其中。由于能量传输到晶格，热量导入了物体的其他地方
6、，在激光脉冲后，电子得以快速冷却。因为电子冷却时间很短，（2）式就能写成（此处初始晶格的温度被忽略了）。晶格可到达的温度已经由电子平均冷却时间决定了，可以得到关于金属电子收到飞秒激光照射后的热运动，在去年已经进行了集中的研究。研究展示了在1ps内，电子的快速冷却同时有大量能量传输到晶格之中。实验揭示了当增长到大于出现明显的蒸发现象，其中的是密度，为单位体积物体的蒸发热量。利用（7）式，可写出出现此蒸发现象所需的条件其中，是飞秒脉冲产生蒸发的阈值激光能量密度。而激光溶解深度百分比由L表示这个对数的得出依赖于激光能量密度所对应的溶解深度已经由激光溶解有机聚合物中给出了。由于用飞秒激光进行溶解时，接
7、触到固体的时间非常短就能完成溶解过程，所以把这个过程看作固体直接气化（或者固体直接液化）。这时的晶格在1ps内被加热，结果就是物体变为气态或者离子态，继而在真空中快速的扩散。整个过程的热传导在一次近似中就被忽略掉了。实践证实了，飞秒激光加工的利处在于能够给金属（以及其他固体）加工提供一个精确而又干净的加工过程。皮秒脉冲现在我们开始讨论皮秒激光溶解技术，所有结论都建立在以下条件之上。由得到，（1）式的电子温度变成稳定的，（1-3）式可化为（2） 式为晶格温度，写为积分形式。方程描述了被激光溶解的金属在下的受热情况。当条件被满足时，由于电子温度是稳定的，则（11）式可被简化。忽略，就得到公式表明。
8、在飞秒环境下，晶格温度的保持远少于电子温度。这就允许我们在公式（10）中忽略晶格温度。当条件满足，对（10）式和（12）式的分析就变得十分简单了。在此情况下，由于能量转移至晶格中，导致电子冷却。电子温度和晶格温度在激光照射后由公式给出。我们注意到，晶格在被激光照射后所能达到的温度又能由电子冷却时间决定。有，激光照射过后的晶格温度和理论上可达到的晶格温度基本相等。在飞秒和皮秒条件下，（7）式和（13）式表示晶格温度的式子是相同的。因此，（8）式中给出的关于强蒸发的条件，（9）式中，脉冲的能量密度阈值和溶解深度均不改变。这样的话，在皮秒范围内，溶解深度和激光能量的对数依然成立。在我们的推导中，都忽
9、略了被溶解物中电子的热传导。这样的假设在描述皮秒范围内激光溶解金属的研究中就显得很粗略。在此条件下的激光溶解都伴有电子热传导和金属内部被融化区域的形成。尽管如此，在表面区域我们仍将蒸发看作由固体直接气化（或者固体直接液化）的变化过程，而在内部的液化只是降低了溶解过程的精确性（见下篇）。纳秒脉冲在此简单讨论下纳秒激光溶解技术，以下各式均满足条件。如此，电子和晶格温度就有，（1-3）式就简化为各种实验和理论的研究指出，激光会对金属目标加热。在此激光范围内，被吸收的激光能量先加热金属表面至熔点，然后再至蒸发温度。比起融化，金属蒸发需要更多的能量。在整个过程中，主要的能量缺失在热传导入被溶解物的时发生
10、的。热量穿透深度由决定，D是热散失系数，。注意到长波脉冲溶解金属的普遍条件为。被溶解金属内单位体积的能量存储量是。当时间，能量变的比蒸发热所需能量更多，蒸发现象就这样发生了。由条件可得到。如此可知，强蒸发发生的条件就是（或表示为），就可以写成公式分别写出了激光强度和能量密度。阈值激光密度是随着长波脉冲的蒸发而增长，增长率为。长波激光脉冲溶解需要足够时间，使热流传到金属中而且相对比较深层的融化原料。由于液态金属的蒸发现象，在真空中使用纳秒激光精确的溶解金属是非常困难的。2、 实验方案以及结果现在我们讨论低能量密度激光溶解物体的实验结果。蓝宝石激光系统基于啁啾激光的扩展技术。在材料【22】中对重要
11、的步骤进行了细致的描述。这个系统提供给780nm波长的激光脉冲高达100mJ的能量。由于CPA技术，脉冲持续时间的变化范围能够从200fs到400ps。但脉冲持续时间与脉冲宽度无关，脉冲宽度始终不变（约为8nm）。脉冲持续时间的度量，如果低于10ps，由一种自相关器给出，而高于10ps的则由一台快速皮秒相机来进行测量（Hadland，IMACON 500）。当再生放大器没有被使用的时候，脉冲宽度在3-5ns的激光会被飞秒振荡器捕获（Coherent,MiraBasic）。再生放大器的运作与振荡器相同，而且对一些特别宽度的脉冲会特别的方便。纳秒脉冲持续时间会由一个光电二极管分别连接到一个快速采样
12、示波器和一个快速移动相机上。实验在低能量密度的环境（）中进行，并以成像几何的方法显示出来。把一个狭缝（）放置在光路上，就会被一个焦距为140mm得石英透镜映射到目标物体表面成像（缩小倍数约为）。激光通路的直径约为20mm。如同用钢，铜，氮化铝或是硅等板材作为溶解目标。这些板材至于至于真空环境中，且周围压力低于，并由电脑控制其x,y,z坐标轴的位置。那些钻透目标板材时所需要的关于脉冲的数据，由一个安装在目标物上的光电二极管控制着。最开始，我们对激光作用于金属目标提出结论。对厚度的钢泊（在真空中）以不同的频率的激光脉冲进行打孔，分别是：飞秒，皮秒和纳秒。图1为飞秒脉冲溶解的示意图，还有以频率为20
13、0fs,激光能量为，的激光所打出的孔的照片。图1、上方为飞秒脉冲溶解的示意图。下方为以频率为200fs,激光能量为，的飞秒激光对厚度为的钢泊进行打孔的SEM照片。就像我们看到的一样，没有融化金属的痕迹。只有一些气体尘埃环绕在孔的周围。图2是纳秒激光脉冲溶解示意图，还有分别以频率为80ps，能量为，的激光脉冲以及频率为3.3ns，能量为1mJ,的激光脉冲打出的孔的照片。图2、上方为纳秒激光脉冲溶解示意图。下方a图为以频率为80ps，能量为，的激光脉冲打出的孔的照片，b图为频率为3.3ns，能量为1mJ,的激光脉冲打出的孔的照片。能够清楚地看的金属融化的痕迹。显示的液体痕迹说明了打孔过程不稳定（看
14、图2a）。由于用纳秒脉冲进行溶解，使热有足够的时间传播进入金属目标，同时产生相对较大的熔融层。目标材料的气态和液态并没有什么关联，所以在其汽化过程中会产生反冲压力排出液体。图2b中可以清楚地看到由于反冲气体的压力而产生的类似于“日冕”的物体。在我们使80ps和3.3ns激光脉冲能量密度尽可能的低的条件下，这是我们所能得到的最好结果。如果再削减激光能量密度的话，在真空中钻透的钢板就是不可能的了。在我们增添对飞秒激光溶解不同金属的说明之前，先来了解下二次谐波。二次谐波被用于降低衍射效应和提高成像质量。图3，是在溶解过程中把频率250fs，能量0.5mJ,的激光脉的冲次数增加a）10，b）100，c
15、）1000，d）5000所产生的不同效果。目标是一厚度为0.5mm的钢板。在图3c中可以清楚地看到产生出的特殊结构。这些机构的出现是由于蒸发的不稳定造成的。图3a-d、频率为250fs，能量0.5mJ，二次谐波辐射（）和次数分别为（a）10,（b）100,（c）1000,（d）5000的飞秒激光溶解厚度0.5mm的钢板的溶解过程。图4为飞秒激光溶解1mm厚度的铜板时的过程图，分别使用了（a）10,（b）100,（c）1000和（d）30000次脉冲。图4、飞秒激光溶解1mm厚度的铜板时的过程图，分别使用了（a）10,（b）100,（c）1000和（d）30000次脉冲。激光的特征参数与图3中的相同。图5展示了（a）10，（b）100，（c）5000，（d）10000次脉冲溶解0.3mm厚的硅。被烧灼的材料再次沉积在目标的表面，而这些沉积物比溶解金属时产生的那些还要坚硬的多。图5a-d、（a）10，（b）100，（c）5000，（d）10000次脉冲溶解0.3mm厚的硅。激光特征参数和图3中所用相同。图6是（a）10，（b）1000和（c）35000次激光脉冲溶解0.8mm厚的氮化铝的示意图。图4、5和6之中的激光特征参数都可视为与图3中所用的激光相同。图6、（a）10，（b）1000和（c）35000次激光脉冲溶解0.8mm厚的氮化铝。激光参数与图3中所用的近似相同。本
