【正文】 性 的自鎖模激光脈沖，凹的小信號增 益可以通過其他一些手段來獲得。 至于 欽寶石激光器， 凹的小信號增益則 可以 通過 中心波長高透的輸出藕合鏡來實現(xiàn)。 至于 窄帶激光器，凹的小信號增益可以通過外加電磁場來形成。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現(xiàn)。 [10] 皮秒激光的應用 The Photonics West 上兩千零五年發(fā)表了 皮秒激光器 首次運用 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 目標上 。一個 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 一個錐形 小 孔，這個 小 孔 當做注射 墨水的噴嘴 被應用于 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 隨機的一個 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 的 CPA 方法才可以實現(xiàn)的 。 利用這樣的方式 ， 毫焦量級 的脈沖能量 能夠被實現(xiàn) ， 然而缺陷是只有被控制在幾千赫茲的范圍內(nèi) 重復率。 相對來說脈沖能量有 幾百 μ J 的高脈沖 是有幫助于 厚材料的切割或鉆孔 的 。 一個典型的舉例就是 柴油機上 的 注射 噴嘴的鉆孔， 這種情況下可以精細 的打孔厚 度為一毫米 的鋼板材料 進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)出來就是因為這種運用 。 由于 皮 21 秒 是其 脈沖時間 領(lǐng)域 ， CPA 方法可以不應用于 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] 對比于 飛秒激光器，生產(chǎn) 效 率 的提高要求擁有十萬赫茲的超 高重復頻率 來做保障 。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，所以類似于 532nm， 355nm 和 266nm 這種 更短的激光波長 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 開始的 ， 然而 材料的熱效應依舊有幾率被 等離子體的 迅速分散所引起 。 所以作為一個比較不錯的結(jié)局來說 ， 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)可以說明 對微機械加工結(jié)果 來說類似于 開孔這 種 的工藝 不僅很注重 適當?shù)募庸?策略， 同樣也注重于在恰當?shù)那闆r下 的 應用 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 清除時產(chǎn)生的 。 大多數(shù)驗證產(chǎn)生的 經(jīng)驗 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 。 作為金屬來講 ， 這種情況說明了十皮秒 的脈沖 大概可以達到 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 微機械加工聚焦形 成 ，則 能量為 1μ J 的脈沖 應該是 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 在完成一百個脈沖 后， 材料將會遵循 定義的 模式 被 消除 ，導致 材料上 能夠映照出 激光束的 基本形狀 。 對 液體設(shè)計，化學，機械的金屬 部分 的 外部改進是比較有前景 的實際 運用 。 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 STACCATO 激光器在 5 五萬赫茲的條件下聚集到 二十五微米直徑 的一個點上結(jié)構(gòu) 就可以被生產(chǎn) 出來 了 。 為了能夠大大的 地 降低 摩檫力在 渦輪葉片 外部將會產(chǎn)生有合適的 設(shè)計結(jié)構(gòu)，環(huán)境損壞 與 燃料消耗。 對上面所提到的 內(nèi)容 做一個總結(jié)性的發(fā)言 ，皮秒級的脈沖 延續(xù) 時間 必須被 表面加工激光器 所擁有 ， 同樣 高重復率 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 引進了消費領(lǐng)域中 ， RAPID 是這個 激光器 的命名 。 由于 設(shè)計的相對簡單 化 ，袖珍的 尺寸，緊湊 的 結(jié)構(gòu) 成為了 RAPID 這 個 激光器的 優(yōu)點 ， 超 快的 Pockels 核 和 放大器是其核心部分 ， 這樣超過五十萬赫茲 的 高 重復率 可以由 它 產(chǎn)生 。各種加工參數(shù) 被 要求 于 22 非常 快 的 激光器的微機械加工。外部 能夠影 響 RAPID 的重復率。 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) 。 這樣導致可能運用所有 加工 方法來完成 ， 而且 光束路徑的 影響同樣可以被實現(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 ， 應該不會受到一點 影響在 不同種類 重復率的 條件 下。非?？拷?衍射極限 的 RAPID 激光束 ，是它能夠?qū)?良好的可聚焦性 實現(xiàn)的原因 。 十皮秒大概是 它的脈沖 延續(xù) 時間，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 改變會產(chǎn)生 。 在 設(shè)計 RAPID 激光器的 過程里 ， 它 是金屬 外部改進 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)來證明 ， 例如 存儲器的 修繕 ， 在 金屬表面 進行 打孔等 等 。 [12] 后面將會來仔細 介紹目前比較普遍幾種 的 飛秒激光 與擁有 重大意義的應用。 飛秒激光加工及其應用 一、飛秒激光加工的 原理 和特點 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 焦點光斑的 精密改進能夠被 飛秒激光加工 完成 ,多光子吸收的光強依賴性 是它的緣由所在 。 第一 ,精準 的多光子吸收閥值 在 飛秒激光 改進 時 是擁有的 。 由 光和物質(zhì) 互相影響的 方面來說 ,物質(zhì) 是 在時間 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 實現(xiàn)改進 ,傳統(tǒng)的激光加工線性吸收 和它的經(jīng)過是有差異的 ,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 電磁場強度 和 照射的激光強度 IP,電磁場 的增強是由 激光強度 增強而激發(fā) ,兩者時間是同步的，這種情況下 多光子 的吸納被很強 的 激發(fā)了。 在處于 1012～ 1014W/cm2這個范圍的 激光強度 IP出現(xiàn) 時 ,不止一個 光子 將可以被 材料中的電子 在同一時間段吸納 ,電子 被輕松 從原子和分子中 剔除出來并 在強度 高的 激光電磁場 中 發(fā)生 電離 現(xiàn)象 。在加強 激光強度 IP到 1014～ 1016 W/cm2 的范圍后 ,在某些方面 原子 原有 勢壘 將會被 激光強光場 發(fā)生 的電勢 所阻止 ,進而使得 電子 利用 隧道效應 的途徑產(chǎn)生 電離 現(xiàn)象 。在仍舊提高 激光強度 達到 IP大于 1016W/cm2 的范圍 時 ,強場勢能 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) 無法影響 這些種子電子密度， 而且無法產(chǎn)生 統(tǒng)計波動 很明顯的情況，讓 統(tǒng)計屬性 改變成為一種準確的行動就是現(xiàn)在 光對物 23 質(zhì)的 影響 ,而且精準 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 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 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。 非常強的 光斑光強 會出現(xiàn)在 中心 范圍 ,多光子吸收閥值 被趕超了 。不過 多光子吸收閥值 卻高于光強比較弱的剩余部分 。 針對 飛秒激光脈沖 的能量不是很充足的特性來說 ,準確 的加工 方法僅會產(chǎn)生于光強高于 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 的老式工藝里 , 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 擁有客觀上來說很長的 等離子體 和 照射激光的脈寬的 產(chǎn)生 時間時 ,兩者的頻率能夠形成一個穩(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 準則 來 講 ,低于十皮秒延續(xù) 時間的激光脈沖 是被歸納到 短脈沖 中的 。飛秒激光 當做 超短脈沖 來講 ,因為大概有一百零四米每秒的脹大速率是 激光等離子體從 表層往外部脹大 時 產(chǎn)生的 ,假設(shè)脈沖 寬度 低于一百飛 秒 的激光 被應用 ,顯而易見 ,激光照射 會結(jié)束在 等離子體 脹大 之前 ,進而 等離子體屏蔽 不會產(chǎn)生 。 熱擴散的回避 和 物質(zhì)的熱擴散 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 的熱擴散長度 可以被 激光照射 實現(xiàn) ,故總體上能夠不考慮 熱擴散問題。由于 熱擴散 無法產(chǎn)生 ,進而部分由 熱擴散效應 引起 的 不好的反應被清除了 。 第一 ,由于 熱擴散 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 ,因為 熱擴散而發(fā)生的 激光聚焦點的溫度 變低的情況被消除了 ,讓這個范圍出現(xiàn)的材料不只是表現(xiàn)出熔融的形態(tài) ,進而消除了打掃 熔融材料的飛濺 產(chǎn)生的廢物所增加 的 成本費用 。 另外， 熱擴散 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 也無法出現(xiàn)，那么 臨近結(jié)構(gòu)組織就 無法被毀壞， 微裂紋 也無法出現(xiàn) ,進而 激光微細加工的 精密度與品質(zhì)被打大大增強了 。 24 在微細加工中 大量不一般的 加工 優(yōu)點是 飛秒激光脈沖 所擁有的，重要呈現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1） 飛秒加工 非常重要的特點就是在組織里不會存在重鑄層，熔融區(qū)，微裂紋也無法出現(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，大量由于熱效應現(xiàn)行的產(chǎn)生而引起的不利問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） 飛秒激光加工對材料 具有很大的寬容性， 任何材料 都 可以 被 進行精細修復、加工和處理。 （ 4） 超 低的脈沖能量閥值 在 飛秒激光加工 時被 需要 ，通常 只有毫焦耳量級 ,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 加工過程 無法形成， 臨界的結(jié)構(gòu)組織 無法被 損壞。[13] 二、飛秒激光在微細加工的應用 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)的角度來說 ,僅會在多光子 吸納 閥值 低于注入 到 物質(zhì) 的激光光強 的情況發(fā)生時 ,透明 物質(zhì)轉(zhuǎn)化 光子能量的 特性才可以被開啟 。 在 透明材料 被 飛秒激光照射時 ,在時間 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 情況又不會出現(xiàn)，這種情況下， 在 往產(chǎn)生反應的區(qū)域添加的能量可以快速地得到效率很高的聚集，巨大部分原來擁有 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。 反復迅速的實現(xiàn)升溫降溫，最后使 光學透明 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 。在同一時間段， 破壞損傷又 無法被實現(xiàn)，故而 光學透明 物質(zhì)的里面部分可以運用 飛秒激光對 其實現(xiàn) 三維結(jié)構(gòu)微加工。波導分束器、光波導和三維二元數(shù)據(jù)存儲 能夠 使用飛秒激光 進行立即加工 或者 立即寫入已經(jīng)被現(xiàn)有的研究證明了 ,更甚者 微光學儀器 也可以利用飛秒激光 立即寫進 。 如 圖 是運用 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 非常美好的未來可以通過這個看出來 。 [14] 25 圖 飛秒激光加工的