【正文】 性 的自鎖模激光脈沖，凹的小信號(hào)增 益可以通過(guò)其他一些手段來(lái)獲得。 至于 欽寶石激光器， 凹的小信號(hào)增益則 可以 通過(guò) 中心波長(zhǎng)高透的輸出藕合鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。 至于 窄帶激光器，凹的小信號(hào)增益可以通過(guò)外加電磁場(chǎng)來(lái)形成。增益凹陷的寬度 決定了 自鎖模脈沖的寬度，故可調(diào)諧自鎖模還有可能實(shí)現(xiàn)。 [10] 皮秒激光的應(yīng)用 The Photonics West 上兩千零五年發(fā)表了 皮秒激光器 首次運(yùn)用 在大規(guī)模 制造中 。 不厚的 鋼箔上 聚集了能量為 1μJ并且延續(xù)時(shí)間為二十飛秒的 脈沖， 同一種類別的 同心環(huán) 被消除在 脈沖光束的 目標(biāo)上 。一個(gè) 圓 盤 是由不一樣 的同心圓環(huán) 所產(chǎn)生的 ， 不一樣的的 圓盤在被清除 材料 后產(chǎn)生了 一個(gè)錐形 小 孔，這個(gè) 小 孔 當(dāng)做注射 墨水的噴嘴 被應(yīng)用于 高 品質(zhì) 的專業(yè) 打印頭中。在 以前的很多年里 ，飛秒激光器的開(kāi)發(fā) 是大部分的 超快激光器制造商 所集中精力 追求的 。 這么多的 激光器在 隨機(jī)的一個(gè) 損傷閾值 條件下 的放大階躍內(nèi) 維持 峰值功率密度 是要 一種 繁復(fù) 的 CPA 方法才可以實(shí)現(xiàn)的 。 利用這樣的方式 ， 毫焦量級(jí) 的脈沖能量 能夠被實(shí)現(xiàn) ， 然而缺陷是只有被控制在幾千赫茲的范圍內(nèi) 重復(fù)率。 相對(duì)來(lái)說(shuō)脈沖能量有 幾百 μ J 的高脈沖 是有幫助于 厚材料的切割或鉆孔 的 。 一個(gè)典型的舉例就是 柴油機(jī)上 的 注射 噴嘴的鉆孔， 這種情況下可以精細(xì) 的打孔厚 度為一毫米 的鋼板材料 進(jìn)而可以省略后一步的清洗 處理 工作 。 STACCATO 皮秒激光器 被 LUMERA LASER 研發(fā)出來(lái)就是因?yàn)檫@種運(yùn)用 。 由于 皮 21 秒 是其 脈沖時(shí)間 領(lǐng)域 ， CPA 方法可以不應(yīng)用于 STACCATO 激光系統(tǒng)。激光二極管 可以直接泵浦 Nd:YAG 這種 激光工作物質(zhì)， 讓它擁有很 高 的 重復(fù)頻率和 很 高的脈沖能量。 十瓦 的平均功率 可以被 STACCATO 激光系統(tǒng) 在十皮秒的延續(xù)時(shí)間和一千零六十四納米的條件下產(chǎn)生，是非?？拷?衍射極限的激光束， 讓它可以 被 非常完美 的 聚集 。 [11] 對(duì)比于 飛秒激光器，生產(chǎn) 效 率 的提高要求擁有十萬(wàn)赫茲的超 高重復(fù)頻率 來(lái)做保障 。紅外激光輻射從 STACCATO 射出后由于它具有超 高的峰值功率密度 的特點(diǎn)，所以類似于 532nm， 355nm 和 266nm 這種 更短的激光波長(zhǎng) 可以 被 轉(zhuǎn)變產(chǎn)生 。冷切除被 產(chǎn)生是從材料 被 STACCATO 激光器 形成 的 一百微焦 的光脈沖打到時(shí) 開(kāi)始的 ， 然而 材料的熱效應(yīng)依舊有幾率被 等離子體的 迅速分散所引起 。 所以作為一個(gè)比較不錯(cuò)的結(jié)局來(lái)說(shuō) ， 非常主要的 的 不光是是如何形成 超短激光脈沖 ，同樣合適 的工藝 方法 也是 不可或缺 的。 有證據(jù)可以說(shuō)明 對(duì)微機(jī)械加工結(jié)果 來(lái)說(shuō)類似于 開(kāi)孔這 種 的工藝 不僅很注重 適當(dāng)?shù)募庸?策略， 同樣也注重于在恰當(dāng)?shù)那闆r下 的 應(yīng)用 輔助氣體，偏振控制 及 真空噴嘴。 后面所講的思考有關(guān)于一個(gè)完美 參數(shù) ，它是接近外部 的材料 被 超快激光器精密 清除時(shí)產(chǎn)生的 。 大多數(shù)驗(yàn)證產(chǎn)生的 經(jīng)驗(yàn) 通常告訴我們 ，最好的精度 能夠利用挑選 在 五到十 倍功率密度閾值 的超短脈沖 在 正確 的 消除 速率 狀況 下 得到 。 作為金屬來(lái)講 ， 這種情況說(shuō)明了十皮秒 的脈沖 大概可以達(dá)到 1J/cm2 的 能量密度。 假如 典型的直徑 10μ m 光斑被激光束 經(jīng)過(guò) 微機(jī)械加工聚焦形 成 ，則 能量為 1μ J 的脈沖 應(yīng)該是 最 好的 。厚度的典型值 是十到一百納米 的材料在這樣的條件 下 可以被 每個(gè)激光脈沖 熔解掉 ， 可以產(chǎn)生 最小的等離子， 擁有非常好的品質(zhì) ，零點(diǎn)一微米 精度的微結(jié)構(gòu) 能夠被生產(chǎn) 。 STACCATO 皮秒激光器 在完成一百個(gè)脈沖 后， 材料將會(huì)遵循 定義的 模式 被 消除 ，導(dǎo)致 材料上 能夠映照出 激光束的 基本形狀 。 對(duì) 液體設(shè)計(jì)，化學(xué)，機(jī)械的金屬 部分 的 外部改進(jìn)是比較有前景 的實(shí)際 運(yùn)用 。 絕大多數(shù) 高生產(chǎn)率的結(jié)構(gòu)加工 都可以用 皮秒激光器激光加工。 把五百三十二納米 的光輻射 經(jīng)過(guò) STACCATO 激光器在 5 五萬(wàn)赫茲的條件下聚集到 二十五微米直徑 的一個(gè)點(diǎn)上結(jié)構(gòu) 就可以被生產(chǎn) 出來(lái) 了 。 為了能夠大大的 地 降低 摩檫力在 渦輪葉片 外部將會(huì)產(chǎn)生有合適的 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，環(huán)境損壞 與 燃料消耗。 對(duì)上面所提到的 內(nèi)容 做一個(gè)總結(jié)性的發(fā)言 ，皮秒級(jí)的脈沖 延續(xù) 時(shí)間 必須被 表面加工激光器 所擁有 ， 同樣 高重復(fù)率 及幾微焦 的中等脈沖能量 也是必須的 。 最近 LUMERA 將這 種 的激光器 引進(jìn)了消費(fèi)領(lǐng)域中 ， RAPID 是這個(gè) 激光器 的命名 。 由于 設(shè)計(jì)的相對(duì)簡(jiǎn)單 化 ，袖珍的 尺寸，緊湊 的 結(jié)構(gòu) 成為了 RAPID 這 個(gè) 激光器的 優(yōu)點(diǎn) ， 超 快的 Pockels 核 和 放大器是其核心部分 ， 這樣超過(guò)五十萬(wàn)赫茲 的 高 重復(fù)率 可以由 它 產(chǎn)生 。各種加工參數(shù) 被 要求 于 22 非常 快 的 激光器的微機(jī)械加工。外部 能夠影 響 RAPID 的重復(fù)率。 在 單脈沖工作 條件下 ，脈沖序列 均能夠被所有 外部 規(guī)定的脈沖序列 或 者 突發(fā) 方法經(jīng)由 TTL 激發(fā) 。 這樣導(dǎo)致可能運(yùn)用所有 加工 方法來(lái)完成 ， 而且 光束路徑的 影響同樣可以被實(shí)現(xiàn) 。 擁有超好的 光束束斑 品質(zhì) ， 并且 穩(wěn)定 性非常好的優(yōu)點(diǎn) ， 應(yīng)該不會(huì)受到一點(diǎn) 影響在 不同種類 重復(fù)率的 條件 下。非常靠近 衍射極限 的 RAPID 激光束 ，是它能夠?qū)?良好的可聚焦性 實(shí)現(xiàn)的原因 。 十皮秒大概是 它的脈沖 延續(xù) 時(shí)間，脈沖能量 是完全能夠大于消除 金屬的閾值能量的 ，盡管 在重復(fù)率 很高 和 轉(zhuǎn)化為 532nm， 355nm， 266nm 的 情況 下也是。 不高于 1%rms 的 脈沖與脈沖能量 改變會(huì)產(chǎn)生 。 在 設(shè)計(jì) RAPID 激光器的 過(guò)程里 ， 它 是金屬 外部改進(jìn) 的 完美器材，可以由其 輸出激光參數(shù)、可控性能等 數(shù)據(jù)來(lái)證明 ， 例如 存儲(chǔ)器的 修繕 ， 在 金屬表面 進(jìn)行 打孔等 等 。 [12] 后面將會(huì)來(lái)仔細(xì) 介紹目前比較普遍幾種 的 飛秒激光 與擁有 重大意義的應(yīng)用。 飛秒激光加工及其應(yīng)用 一、飛秒激光加工的 原理 和特點(diǎn) 飛秒激光加工 的原 理 飛秒激光脈沖是最 完美 的激光 精密 加工 器材，這是由它 的光束特性 決定的 。 尺寸低于 焦點(diǎn)光斑的 精密改進(jìn)能夠被 飛秒激光加工 完成 ,多光子吸收的光強(qiáng)依賴性 是它的緣由所在 。 第一 ,精準(zhǔn) 的多光子吸收閥值 在 飛秒激光 改進(jìn) 時(shí) 是擁有的 。 由 光和物質(zhì) 互相影響的 方面來(lái)說(shuō) ,物質(zhì) 是 在時(shí)間 非常 短、空間尺度 非常小 、物理 非常極端的 條件下 被 飛秒激光 實(shí)現(xiàn)改進(jìn) ,傳統(tǒng)的激光加工線性吸收 和它的經(jīng)過(guò)是有差異的 ,多光子吸收 是其非常重要的波及范圍 。多光子吸收 緊密聯(lián)系于 電磁場(chǎng)強(qiáng)度 和 照射的激光強(qiáng)度 IP,電磁場(chǎng) 的增強(qiáng)是由 激光強(qiáng)度 增強(qiáng)而激發(fā) ,兩者時(shí)間是同步的，這種情況下 多光子 的吸納被很強(qiáng) 的 激發(fā)了。 在處于 1012～ 1014W/cm2這個(gè)范圍的 激光強(qiáng)度 IP出現(xiàn) 時(shí) ,不止一個(gè) 光子 將可以被 材料中的電子 在同一時(shí)間段吸納 ,電子 被輕松 從原子和分子中 剔除出來(lái)并 在強(qiáng)度 高的 激光電磁場(chǎng) 中 發(fā)生 電離 現(xiàn)象 。在加強(qiáng) 激光強(qiáng)度 IP到 1014～ 1016 W/cm2 的范圍后 ,在某些方面 原子 原有 勢(shì)壘 將會(huì)被 激光強(qiáng)光場(chǎng) 發(fā)生 的電勢(shì) 所阻止 ,進(jìn)而使得 電子 利用 隧道效應(yīng) 的途徑產(chǎn)生 電離 現(xiàn)象 。在仍舊提高 激光強(qiáng)度 達(dá)到 IP大于 1016W/cm2 的范圍 時(shí) ,強(qiáng)場(chǎng)勢(shì)能 讓 電子 能夠完全脫離 原子 的控制 。種子電子 就是 這些電離 現(xiàn)象發(fā)生后出現(xiàn)的 的電子， 越來(lái)越多的自由電子 能夠被它們吸納 光子 而繼續(xù) 產(chǎn)生。 外部 介質(zhì) 無(wú)法影響 這些種子電子密度， 而且無(wú)法產(chǎn)生 統(tǒng)計(jì)波動(dòng) 很明顯的情況，讓 統(tǒng)計(jì)屬性 改變成為一種準(zhǔn)確的行動(dòng)就是現(xiàn)在 光對(duì)物 23 質(zhì)的 影響 ,而且精準(zhǔn) 的加工閥值 可以被擁有 。 第二，表現(xiàn)出 高斯分布或類高斯分布在空間 中是 激光光束光強(qiáng) 的特性 ,產(chǎn)生了混亂得 聚焦光斑 的 能量 布置 ,非常大的差距將出現(xiàn)在 光斑內(nèi)的光強(qiáng) 布置上 ,這種情況下 x與 t的函數(shù)就是 聚集 到 材料上 的 IP。 非常強(qiáng)的 光斑光強(qiáng) 會(huì)出現(xiàn)在 中心 范圍 ,多光子吸收閥值 被趕超了 。不過(guò) 多光子吸收閥值 卻高于光強(qiáng)比較弱的剩余部分 。 針對(duì) 飛秒激光脈沖 的能量不是很充足的特性來(lái)說(shuō) ,準(zhǔn)確 的加工 方法僅會(huì)產(chǎn)生于光強(qiáng)高于 多光子吸收閥值的 被照射范圍 。 因此 ,小于聚焦光斑尺寸的加工精度 能夠被 飛秒激光加工時(shí)得到 就可以非常容易理解了。 等離子體屏蔽的回避 在 激光加工 的老式工藝?yán)?, 激光 可以被從 固體表面 產(chǎn)生的 等離子體 吸納 , 利用 等離子體中 傳送熱能的性能 , 讓 加工 范疇引入了 激光能量。當(dāng) 擁有客觀上來(lái)說(shuō)很長(zhǎng)的 等離子體 和 照射激光的脈寬的 產(chǎn)生 時(shí)間時(shí) ,兩者的頻率能夠形成一個(gè)穩(wěn)定的局面 , 換句話講就是被阻擋在 臨界密度 范疇 ,不能像平常一樣深入 加工物質(zhì) ,這種情況就被稱為 等離子體屏蔽。 依照一般 的激光脈沖 準(zhǔn)則 來(lái) 講 ,低于十皮秒延續(xù) 時(shí)間的激光脈沖 是被歸納到 短脈沖 中的 。飛秒激光 當(dāng)做 超短脈沖 來(lái)講 ,因?yàn)榇蟾庞幸话倭闼拿酌棵氲拿洿笏俾适?激光等離子體從 表層往外部脹大 時(shí) 產(chǎn)生的 ,假設(shè)脈沖 寬度 低于一百飛 秒 的激光 被應(yīng)用 ,顯而易見(jiàn) ,激光照射 會(huì)結(jié)束在 等離子體 脹大 之前 ,進(jìn)而 等離子體屏蔽 不會(huì)產(chǎn)生 。 熱擴(kuò)散的回避 和 物質(zhì)的熱擴(kuò)散 作比較 飛秒激光加工的 最明顯的特征 是 ， 能量將 能夠用更快的速度 被激光脈沖 注射于 加工 領(lǐng)域 。 換句話將 ,激光脈沖 會(huì)在射入 材料中的能量 發(fā)生熱散發(fā)之前 停止 ,故 能量 不可能產(chǎn)生 照射 范圍 的熱 散發(fā)難題 ,進(jìn)而 熱效率 非常大 的精加工 能夠被獲得 。 甚至和擁有很高 熱擴(kuò)散系數(shù)的金屬 作比較 ,在擁有一百飛秒的 脈沖寬度 的情況下 ,僅有一納米 的熱擴(kuò)散長(zhǎng)度 可以被 激光照射 實(shí)現(xiàn) ,故總體上能夠不考慮 熱擴(kuò)散問(wèn)題。由于 熱擴(kuò)散 無(wú)法產(chǎn)生 ,進(jìn)而部分由 熱擴(kuò)散效應(yīng) 引起 的 不好的反應(yīng)被清除了 。 第一 ,由于 熱擴(kuò)散 現(xiàn)象 而 被消耗 的能量 被降低了 ,激光的熱加工 擁有了更高的 效率。 第二 ,因?yàn)?熱擴(kuò)散而發(fā)生的 激光聚焦點(diǎn)的溫度 變低的情況被消除了 ,讓這個(gè)范圍出現(xiàn)的材料不只是表現(xiàn)出熔融的形態(tài) ,進(jìn)而消除了打掃 熔融材料的飛濺 產(chǎn)生的廢物所增加 的 成本費(fèi)用 。 另外， 熱擴(kuò)散 現(xiàn)象的消失， 熱影響區(qū) 也不可能出現(xiàn)，同樣能夠讓 結(jié)構(gòu) 毀壞 的沖擊波 也無(wú)法出現(xiàn)，那么 臨近結(jié)構(gòu)組織就 無(wú)法被毀壞， 微裂紋 也無(wú)法出現(xiàn) ,進(jìn)而 激光微細(xì)加工的 精密度與品質(zhì)被打大大增強(qiáng)了 。 24 在微細(xì)加工中 大量不一般的 加工 優(yōu)點(diǎn)是 飛秒激光脈沖 所擁有的，重要呈現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （ 1） 飛秒加工 非常重要的特點(diǎn)就是在組織里不會(huì)存在重鑄層，熔融區(qū)，微裂紋也無(wú)法出現(xiàn) 。熱熔化 現(xiàn)象的發(fā)生被阻止了 ,客觀角度定義 的“冷”加工 得到了完成，大量由于熱效應(yīng)現(xiàn)行的產(chǎn)生而引起的不利問(wèn)題被大幅度的降低與清除 。 （ 2） 較高的 加工精度 讓飛秒激光無(wú)法被光的極限衍射所影響 ,空間 的 分辨性 能得到提高 。 （ 3） 飛秒激光加工對(duì)材料 具有很大的寬容性， 任何材料 都 可以 被 進(jìn)行精細(xì)修復(fù)、加工和處理。 （ 4） 超 低的脈沖能量閥值 在 飛秒激光加工 時(shí)被 需要 ，通常 只有毫焦耳量級(jí) ,加工能量的低耗性 由此被 決定了。 （ 5） 致使 結(jié)構(gòu)損壞的沖擊波 在 加工過(guò)程 無(wú)法形成， 臨界的結(jié)構(gòu)組織 無(wú)法被 損壞。[13] 二、飛秒激光在微細(xì)加工的應(yīng)用 在 玻璃、石英、光纖、晶體等 多種 透明 物質(zhì)里面 飛秒激光 可以實(shí)現(xiàn) 三維 操作與改善 。在透明 物質(zhì)里 ,激光光子的能量 低于 束縛電子的電離能 ，但是利用老式 的激光加工 技術(shù) ,物質(zhì)線性吸收的能量 桎梏一般不可能被打破 。 站在 透明 物質(zhì)的角度來(lái)說(shuō) ,僅會(huì)在多光子 吸納 閥值 低于注入 到 物質(zhì) 的激光光強(qiáng) 的情況發(fā)生時(shí) ,透明 物質(zhì)轉(zhuǎn)化 光子能量的 特性才可以被開(kāi)啟 。 在 透明材料 被 飛秒激光照射時(shí) ,在時(shí)間 非常短 和空間 非常小的情況下飛秒激光 和 物質(zhì) 互相影響，類似 能量 消耗流失 等 情況又不會(huì)出現(xiàn)，這種情況下， 在 往產(chǎn)生反應(yīng)的區(qū)域添加的能量可以快速地得到效率很高的聚集，巨大部分原來(lái)?yè)碛?的熱量 均由于 等離子體 迸發(fā)而消失，快速降低了 作用 范圍 內(nèi)的溫度。 反復(fù)迅速的實(shí)現(xiàn)升溫降溫，最后使 光學(xué)透明 物質(zhì) 內(nèi)部 功能被影響產(chǎn)生了變化， 折射率的 改變是 其中 最重要的部分 。在同一時(shí)間段， 破壞損傷又 無(wú)法被實(shí)現(xiàn)，故而 光學(xué)透明 物質(zhì)的里面部分可以運(yùn)用 飛秒激光對(duì) 其實(shí)現(xiàn) 三維結(jié)構(gòu)微加工。波導(dǎo)分束器、光波導(dǎo)和三維二元數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 能夠 使用飛秒激光 進(jìn)行立即加工 或者 立即寫入已經(jīng)被現(xiàn)有的研究證明了 ,更甚者 微光學(xué)儀器 也可以利用飛秒激光 立即寫進(jìn) 。 如 圖 是運(yùn)用 飛秒激光加工 的 微型硅模具 ,在硅基材料三維微制備 范疇內(nèi) 飛秒激光 非常美好的未來(lái)可以通過(guò)這個(gè)看出來(lái) 。 [14] 25 圖 飛秒激光加工的