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飞秒激光与其它激光加工有什么不同?

来源:浙江大学现代光学仪器国家重点实验室

  发布:邱建荣

关键词:飞秒激光,激光加工,激光技术

2018-10-12


作者:邱建荣,浙江大学现代光学仪器国家重点实验室
 

 

在国内外学术会议上做飞秒激光加工方面的报告后,我经常会被问到:飞秒激光与其它激光加工有什么不同?

 

这是一个受普遍关注却不是只言片语就能回答的问题,就像貌似简单的玻璃为什么是透明的问题一样。我们需要根据理论从原理上进行分析和阐述。在这里,我们指的飞秒激光是指脉宽为1-1000 fs(1 fs=10-15s)的激光,其它激光是指脉宽大于1000 fs(1 ps)的脉冲激光或连续激光。

 

激光加工过程中需要考虑激光的波长、能量(或功率)、脉宽、频谱、脉冲频率、偏振、相位等因素,同时还要考虑聚焦系统以及扫描速度和方向,被加工对象物质的组成、结构和形态,甚至是物质所处的环境条件如温度和气氛。脉宽是其中一个非常重要的具有普遍影响的激光参数。为简单起见,下面的讨论假设其它条件基本相近(其实这个条件很难成立),只是脉宽不同的情形。飞秒激光也主要是指现在用得最多的钛宝石以及Yb3+掺杂晶体和光纤激光器为主,波长在1 μm附近的近红外的飞秒激光。

 

飞秒激光系统很贵


 

飞秒激光现在已开始用于切割、钻孔、焊接、打标、剥离、修复等加工领域,但应用还不是很普遍。一方面是很多情形其它激光也用得很好,另一方面是飞秒激光很贵。飞秒激光的价格比长脉冲激光和连续激光要贵很多。其它参数相近的飞秒和皮秒激光有时也会相差几十万元。
 

 

飞秒激光贵的原因主要有:


 

1)根据傅里叶变化关系,要产生超短飞秒脉冲必须具有宽光谱的增益介质,譬如钛宝石。增益介质的带宽决定了最终能实现的脉宽。所以用作飞秒激光增益介质的要求会高一些,现在主要是钛宝石,部分Yb3+掺杂晶体和玻璃光纤;


 

2)飞秒激光脉冲一般需要通过锁膜技术来实现,用来加工的大脉冲能量的飞秒脉冲还需要进一步将低脉冲能量的飞秒脉冲通过脉冲展宽-放大-压缩的再生放大技术来实现,飞秒激光系统要用到加工精细的啁啾镜等光学元器件以及高功率抽运源,激光系统比较复杂。

 

飞秒激光特性很好

 

飞秒加工有不少优势,首先体现在精度高,其基于多光子吸收的特征和阈值效应以及加工过程中热效应可以忽略(也就是通常强调的冷加工)。这里应该注意,这是指单脉冲或脉冲频率比较低的情形,另外也只是相对而言,这里忽略了激光波长以及对象物质的特征等。


 

原理上,飞秒激光由于其脉宽很短,较低的脉冲能量就可以获得极高的峰值功率(脉冲能量/脉宽),当用物镜等进一步聚焦到材料时,由于焦点附近能量密度很高,能引起各种强烈的非线性效应。

 

激光加工可以认为是一种激光诱导反应,原理上分为诱导分子振动和电子激发。前者是热反应,后者与构成物质的原子外壳层电子关联的化学键相作用。考虑物质的能带结构,一般长波长激光如CO2激光利用的是分子振动导致的热反应,短波长激光如准分子激光利用的是电子激发产生的化学键的切断。


 

近红外飞秒激光加工通过多光子过程,也就是说虽然材料在激光波长(λ)没有线性吸收,但焦点附近的光强很高,通过同时吸收多个(n)光子,起到了将短波长(λ/n)的光拿到材料内部去照材料所产生的同样效果,实现有空间选择性的微观结构操控,而不影响表面结构,这是飞秒激光加工的另外一个优势。


 

因为多种非线性过程竞相参与,所产生的现象往往超过我们的预测和想像。飞秒激光与材料相互作用时,在此我们考虑在激光波长没有线性吸收的介质,首先是通过多光子吸收或电离等过程,激光能量沉积在电子体系中,进而通过一系列的能量传递和输送过程,导致材料的一系列变化。一般情况下,在激光辐照下,电子吸收光子被激发的时间在fs范围(脉冲作用过程中),随后发生电子-声子耦合,能量传递至晶格与晶格达到热平衡的时间在几个到几十ps量级。热扩散、材料熔融的时间尺度随着材料的不同而有所区别,基本在几十到几百ps的时间量级。材料表面烧蚀形成的时间为几百ps到ns不等。


 

在纳秒及皮秒激光作用下,电子气中沉积的激光能量在激光脉冲照射材料的时间内就传给晶格,从而引起材料的加热、熔化甚至烧蚀,过程中热效应的作用明显。而飞秒激光的脉冲宽度小于电子-声子相互作用的时间尺度,电子气中沉积的激光能量来不及传给离子激光脉冲辐照就已经结束了。此时电子气的温度非常高,而离子的温度却很低,材料发生的是“冷”烧蚀过程,抑制了流体力学效应、热学效应等,加工的精度很高。已有不少工作比较了脉宽对激光加工的影响。从图1可以看出飞秒脉冲加工结构比较陡峭而干净,皮秒和纳秒激光存在热效应产生的隆起和残余。正是由于飞秒激光的高精度和“冷加工”特性,它可以广泛应用于微电子、航空航天等工业领域,也应用于医疗,如近视眼矫正、脑科手术等。

 


 

图1 不同脉宽激光在100 μm厚的不锈钢薄片上打孔的效果
 

左:80 ps 中:3.3 ns 右:200 fs

 

当脉冲宽度大于20 ps,研究表明石英玻璃的损伤阈值与脉冲宽度的平方根成正比,也就是说这时石英玻璃发生了热损伤。当脉冲宽度小于10 ps时,损伤阈值与脉冲宽度的依赖关系明显偏离平方根的规律,材料的损伤主要是由雪崩击穿引起。在强电场作用下,一个电子被加速到能量高于带隙宽度时,它将与价电子碰撞并产生两个动能较小的导带电子。如此的链式过程不断重复,电子数随时间按指数规律增长。如果雪崩产生的电子数密度在脉冲辐照时间内达到临界值,材料被击穿。贾天卿等将量子力学与经典近似相结合,研究了导带电子的光吸收,根据flux-double模型和Keldysh理论分别算出了雪崩速率和光致电离速率,对材料中导带电子数密度的演化进行了分析,发展了雪崩击穿模型,解释了材料的损伤阈值与脉冲宽度以及烧蚀深度、烧蚀体积与激光强度的依赖关系。

 

飞秒激光作用于金属时,由于飞秒激光的脉冲宽度小于电子-声子相互作用的时间尺度,电子吸收的激光能量来不及传给离子就结束了。所以电子的温度很高而离子的温度还很低,飞秒激光烧蚀金属是一个非平衡烧蚀。双温模型和改进的双温模型表明晶格的温度变化跟晶格热传导和电子-晶格耦合有关。在高强度(≥1014W/cm2) 飞秒激光的作用下,材料的电离完成于脉冲作用时间(~100 fs)结束前,此时金属和介质的烧蚀机理是一样的。

 

飞秒激光是冷加工,其实是一个误解


 

经常有人认为飞秒激光一定是冷加工,其实这也是一个误解。飞秒激光加工还与激光脉冲频率有关。当将众多的飞秒激光脉冲串起来准连续的脉冲阵列也就是脉冲频率很高时,飞秒激光加工的剩余热会产生热累积效应。控制重复频率则有望实现兼具飞秒激光和长脉冲或连续激光特征的多光子吸收和热效应共存的三维结构制备,进一步拓展形成微纳结构的种类与材料的功能。


 


 

图2 飞秒激光在碲酸盐玻璃样品中诱导的

热影响区域


 

图2是250 fs, 800 nm, 500 kHz飞秒激光在碲酸盐玻璃样品中诱导的热影响区域的光学照片。诱导的结构呈现明显的热效应,结构随照射时间明显增大。飞秒激光与材料相互作用过程中,光子加热电子(<1ps)和电子—声子耦合的时间尺度(ps)远小于热扩散的时间尺度(>0.1ns),这样激光加工的剩余热会产生一个热场。对于低重复频率飞秒激光,由于脉冲之间的间隔时间较长,在下一个脉冲到达材料的时候,激光聚焦区域的温度已经下降到环境温度。而对于高重复频率飞秒激光,由于其脉冲之间的间隔时间较短,当这个时间短于激光照射产生的热场扩散所需的时间的时候,下一个脉冲到达样品时,前一个脉冲产生的热场还没有完全消散,就会导致热量的累积作用。而随着照射时间的延长,激光脉冲数量的增加,激光聚焦区域的温度会逐渐升高,直至到达动态平衡。高重复频率飞秒激光照射过程中产生的热场虽然会增大激光诱导微纳结构的尺寸,但它对某些微纳结构的形成也是至关重要的。

 

网上有不少将飞秒激光神化的描述,我们需要还原飞秒激光的本来面目,将飞秒激光用到极致,用在其能真正发挥其特点的领域,而不是“将原子弹用来轰蚊子”。

 

参考文献:

1 邱建荣,【飞秒激光加工技术---基础和应用】,科学出版社,2018, 北京。

2 B.N. Chichkov et al., Appl. Phys. A63, 109-115(1996).