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皮秒激光器的原理及应用.pdf

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皮秒激光器的原理及应用 *激光技术对国民经济及社会发展的重要作用：激光技术是 二十世纪与原子能、半导体及计 算机齐名的四项重大发明之一。随着激光技术的不断发展， 激光应用已经渗透到科研、产业 的各个方面，在汽车制造、航空航天、钢铁、金属加工、冶金、太阳能以及医疗设备 等领域 都起到重要作用。激光产业在我国发展了五十多年，已 经与多个学科形成了不同类型技术应 用，比如光电技术，激光医疗与生物光子学、激光加工技术、激光检测与计量技术、 激光全 息技术、激光光谱分析技术、非线性光学、超快激光学、激光化学、量子光学、激光 雷达、 激光制导、激光分离同位素、激光可控核聚变、激光武器等。 激光器及其配件在激光产业的整个产业链中占有非常重要的地位，属于技术和专 业性都 很强的产业。 激光通信、激光 存储和激光显示主要应用在信息领域。激光加工（包括激光切割、激光 焊接、激光打标、激光钻孔等）和激光医疗则在医学和工业上应用广泛。 超短激光脉冲的激光切除的优点在很多应用中得到了证实，直到最近也没有在工 厂的地 板上发现这些应用的工业副产物。在工业应用中，除去质量因素以 外，可重复生产性和每个 零件的成本也是很重要的标准。 激光系统的可靠性当然和所使用的激光技术直接联系在一起。每个零部件的成本 基本上 和超短激光脉冲的重复频率直接联系在一起。高附加值，高重复率的 生产力，可靠的技术等 所有这些要求仅仅在最近通过二极管泵浦的皮秒激光器才完成。 皮秒激光器在大规模生产中的第一次应用在The PhotonicsWest2005上被报道。20ps脉 冲持续时间的1μJ的脉冲被聚焦到薄的钢箔上，在 脉冲光束的方向上一系列同心环被去除。 不同的同心圆环形成一个园盘，去除材料的不同圆 盘形成一个锥形孔，这个孔在专业的高质 量的打印头中作为注入墨水的喷嘴。在过去几年中，绝大多数超快激光器 制造商集中精力在 飞秒激光器的开发上。这些激光器需要一种复杂CPA的技术来保持峰值功率密度在某 一个 损伤阈值下的放大阶跃内。用这种方式，可以产生mJ水平的脉冲能量，但是重复率被 限制 在几KHZ。比较而言几百μJ的高脉冲能量对厚材料的钻孔或切割是 有利的。柴油机的注入 喷嘴的钻孔就是一个例子，这里1mm厚的钢板材料不得不被精密的打孔以致不需要 进一步 的清洁处理。 LUMERALASER为了这个应用开发了皮秒激光器STACCAT。因为它的脉冲时间在皮秒 范O 围内，STACCATO激光系统不需要CPA技术。激光工作物质 Nd：YVO4允许用激光二极管直 接泵浦，使其具有高的脉冲能量和高的重复频 率。STACCATO激光系统在10ps的脉冲持续时 间内在1064nm时输出10W的平均功率，它的激光束接近衍射极限，能被很理想的聚 焦。 *与飞秒激光器相比，达到100KHZ的非常高的重复频率保证了高的生产率。在紫外 光谱区 域许多材料有比较高的线形吸收系数，对材料的去除来说这是非常有利的。从 STACCATO发 出的红外激光辐射因为其非常高的峰值功率密度能够被转化成更短的激光波长 532nm， 355nm和266nm。当由STACCATO激光器产生的100μJ的光脉冲 打到材料上时冷切除被触 发，但是快速扩散的等离子体仍然可能导致材料的热效应。因此 对一个好的结果而言，不但 超短激光脉冲的产生是重要的而且适当的工艺技术也是重要的。据证明像开孔这样 的工艺对 微机械加工结果而言不但适当的加工策略是重要的，而且偏振控制，适当 的使用辅助气体和 真空喷嘴也很重要。热引起的裂纹，液化点可以 通过使用适当的加工策略避免。图2左右分 别为在钢铁和陶瓷上用皮秒激光器加工的孔在材料去除时伴随着高脉冲能量的强等离 子体 的形成引起了一个问题，即市场上能获得的超快激光器是否为精密的表面加工而设 计得理想。 下面的考虑涉及到超快激光器对靠近表面的材料的精密去除的理想的参数。 在许多实验中一般的经验表明，如果在合理的的去除速率条件下最好的精度可以 通过功 率密度选择在5-10倍的阈值超短激光脉冲获得。对 金属而言，这意味着10PS的脉冲的能量 密度应该为1J/cm2。如果微机械加 工的激光束被聚焦成典型的直径10μm的光斑，那么最 佳的脉冲能量应该为1μJ。在这种情况下每个激光脉冲熔化的材料厚度的典型值为 10-100nm，等离子的形成是最小的，质量是很好的，可以加工出来0.1μm精度的 微结构。 STACCATO皮秒激光器的100个脉冲处理后，材料按照定义的方式被去除，以致激 光束 的轮廓被映射到材料上。有希望的实际应用是为机械，化 学，液体设计的金属部件的表面加 工。皮秒激光器激光加工可以进行几乎所有高生产率的结构加工。结构是通过 STACCATO激 光器在50KHZ，将532nm的光辐射聚焦到直