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超快激光器用于超精密加工

导读: 超快脉冲能够干净地实现切割加工,并且不破坏周围区域或形成粗糙的边缘,这对加工医学植入物和实施精细手术至关重要。

  技术的改进已经使超快激光器走出实验室,进入工业和医药行业执行精准细致的加工任务。超快激光器的成功之处在于其能将光能集中到皮秒至飞秒的时间间隔内,并将光聚焦到小空间上。这种聚焦为"在不破坏底层区域的情况下,从材料表面快速、清洁地烧蚀材料"提供了所需要的高光强。

  对加工像玻璃或陶瓷这样的易碎材料,或者是在涡轮叶片这样的硬质金属上清洁地钻孔这样的应用来说,这种精确性和精细性的结合至关重要。这些优势已经为超快激光器在医疗领域赢得了一席之地,其不但可用于制作精细的生物医学设备,如用于冠状动脉搭桥手术中的支架;还能执行精细的医疗手术,如角膜手术。

  激光与材料的相互作用

  功率强度和脉宽是影响激光束如何与材料相互作用的关键因素。在长时间范围内,材料吸收一部分光能,将其转换成热量,热量会通过材料传导。如果光束足够强,便能熔化材料,熔化的材料会将热量传递到周围区域。对于短至纳秒级时间尺度的脉冲加工而言,吸收、熔化和热传导占主导地位。

  当脉冲能量以短于约100ps的时间尺度传输时,根据材料的不同情况会发生显著变化。随着脉冲峰值功率的增加,峰值强度急剧上升。例如,持续1ps的微焦级脉冲的峰值功率为1MW,当它聚焦为5μm的光斑时,可产生约4×1012W/cm2的峰值强度,这足以剥离外层电子。激光与材料相互作用的时间是如此之短,以至于离子在能够将能量传导到底层材料之前,就已经从材料表面被烧蚀掉了。与光强较低的情况相比,在这种烧蚀模式下,能量传导受材料吸收的影响较小,但是也会受到材料种类和激光波长的影响。例如,紫外脉冲比近红外脉冲更适合切割玻璃之类的透明材料,而近红外脉冲在玻璃中的传输性能更好。

  这种加工通常也被称为"冷烧蚀"。虽然材料表面在片刻间就变得非常热,但是离子在其加热或损伤底层材料之前就已经被烧蚀掉了,如图1所示。因此皮秒或飞秒激光脉冲能够从精细或易碎材料中无损去除非常薄的表层。波兰研究人员已经使用强度仅在烧蚀阈值之上的70ps脉冲去除油画表面的透明清漆,并利用光学相干断层扫描技术监控整个去除过程。美国Photonics Industries公司的Joyce Kilmer说:"皮秒激光器能够将图案写到火柴头上,却不会让火柴点燃。"

纳秒脉冲和飞秒脉冲加工效果对比

  图1:纳秒脉冲和飞秒脉冲加工效果的对比。

  左图中的纳秒脉冲在烧蚀前会熔化表面材料,并将热量传递到邻近区域,从而影响许多材料。右图中的飞秒脉冲通过多光子离子化烧蚀材料,只有很少的热量传递到邻近的材料中。

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