本文介紹了什麽(me) 是超快激光以及超快激光的應用。
激光的原理早在 1916 年已經由著名物理學家愛因斯坦（Albert Einstein）的受激輻射理論所預言。世界上第一台可操作的激光器由梅曼（Theodore Harold "Ted" Maiman）在1960年成功研製，其增益介質為(wei) 紅寶石，波長為(wei) 694.3nm。激光器的誕生正式將激光引入實用領域。在工業(ye) 上，通常將激光分為(wei) 連續波、準連續、短脈衝(chong) 、超短脈衝(chong) 四類。“超快激光”，通常是指輸出激光的脈衝(chong) 寬度在10E-12S即皮秒級別，或小於(yu) 皮秒級別的脈衝(chong) 激光。假設地球上有個(ge) 人將激光筆對著月亮，大概1.3秒後，激光就會(hui) 達到月球表麵。當然得理想化一點，光沒有散射或損耗。而對於(yu) 1皮秒的時間，光也就隻能走頭發絲(si) 打個(ge) 結的距離了。1納秒(ns) =10E-9s=0.000 000 001s;1皮秒(ps) =10E-12s=0.000 000 000 001s;1飛秒(fs) =10E-15s=0.000 000 000 000 001s;超短脈衝(chong) 的成功產(chan) 生得益於(yu) 鎖模技術的誕生。該技術是通過在激光共振腔中的不同模式間引入固定的相位關(guan) 係，這些模式之間的幹涉會(hui) 使得激光產(chan) 生一係列的脈衝(chong) ，從(cong) 而能夠將激光器的輸出脈衝(chong) 寬度減小到超短脈衝(chong) 的水平，其中超短脈衝(chong) 指的是脈衝(chong) 寬度在皮秒量級（Picosecond,ps,10E-12秒）至飛秒量級（Femtosecond,fs,10E-15秒）的激光脈衝(chong) ，超短脈衝(chong) 激光通常也被稱為(wei) 超快激光。常見的工業(ye) 激光器例如皮秒激光器，飛秒激光，以及科研領域比較熱的阿秒激光，都屬於(yu) 超快激光的範疇。對於(yu) 脈寬小於(yu) 1納秒，大於(yu) 幾十皮秒的激光器，行業(ye) 人員未將之歸為(wei) 超快激光，而是稱之為(wei) 亞(ya) 納秒激光器。根據波長不同，又可以分為(wei) 紅外皮秒、綠光皮秒、紫外皮秒等。超快激光是激光領域重要的發展方向之一，作為(wei) 一種新興(xing) 的技術手段，在精密微細加工方麵有著顯著優(you) 勢。超快激光產(chan) 生的超短脈衝(chong) 與(yu) 材料相互作用時間極短，不會(hui) 給周圍材料帶來熱影響，因此超快激光加工也被稱為(wei) 冷加工。這是因為(wei) ，當激光脈衝(chong) 寬度達到皮秒或飛秒量級，可以在很大程度上避免對分子熱運動的影響，產(chan) 生更少的熱影響。高穩定性的超短脈衝(chong) 、高脈衝(chong) 能量。可以利用鎖模技術獲得超短脈衝(chong) ，利用CPA(Chirped Pulse Amplification)放大技術獲得高脈衝(chong) 能量，其中涉及的核心部件包括振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器等。鎖模（Mode locking）是激光器產(chan) 生超短脈衝(chong) 的方法之一，與(yu) 調Q（Q-Switching）相類似，鎖模也是對激光器腔內(nei) 進行調製，讓原本連續光（Continuous wave, CW）分裂，從(cong) 而產(chan) 生脈衝(chong) 。但是鎖模與(yu) 調Q僅(jin) 僅(jin) 是在物理現象上有所相似，其物理原理是完全不一樣的。除了主動相位調製之外，一般都是通過損耗調製的方式實現鎖模，其中最常用的是通過飽和吸收（Saturated Absorption）效應產(chan) 生鎖模。飽和吸收效應，即光強越強，工作物質的吸收越弱，當光強足夠強時，飽和吸收體(ti) （Saturable Absober, SA）被“漂白”，對光不再吸收。目前，工業(ye) 級光纖鎖模種子源基本都是SESAM鎖模加線性腔結構設計，其中可以通過選擇不同的輸出啁啾光柵和SESAM參數，實現皮秒或者飛秒鎖模。2018年10月2日，瑞典皇家科學院公布了2018年的諾貝爾物理學獎獲得者，由來自於(yu) 美國的Arthur Ashkin，法國的Gerard Mourou和他的學生、 加拿大的Donna Strickland女士三位物理學家分享諾貝爾物理學獎金。其中50%授予Arthur Ashkin的“光鑷及其在生物係統中的應用”，另一半授予Gerard Mourou和Donna Strickland的“啁啾脈衝(chong) 放大技術(Chirped Pulse Amplification，CPA)，用於(yu) 生成高強度的超短脈衝(chong) 激光的方法”。鎖模技術從(cong) 上世紀開始被研發，在經曆了主動、被動和克爾透鏡自鎖模三個(ge) 階段之後，百飛秒量級以下超短激光脈衝(chong) 的實現方式得到了巨大的改進。鈦藍寶石飛秒激光振蕩器作為(wei) 新時代集成化更高、穩定性更好的鎖模激光器逐漸取代了發展初期的染料激光器，將超短脈衝(chong) 激光器推向更加廣闊的應用領域。超短脈衝(chong) 激光振蕩器的重複頻率一般在幾十兆赫茲(zi) 量級，並且其單脈衝(chong) 能量隻能維持在納焦耳量級。若采取將振蕩器直接輸出的超短脈衝(chong) 進行光學放大，那麽(me) 由於(yu) 非線性效應的影響，超短脈衝(chong) 將會(hui) 在激光晶體(ti) 內(nei) 部形成光絲(si) 甚至損傷(shang) ，無法進行有效的能量放大的同時還破壞了晶體(ti) 元件。穆魯（Mourou）和他的學生斯特裏克蘭(lan) （Strickland）創造性的運用啁啾脈衝(chong) 放大技術將這一難題攻克：他們(men) 將振蕩器輸出的脈衝(chong) 在時間維度上進行了展寬，其峰值功率密度大幅度降低的同時消除了大部分非線性效應，因此種子脈衝(chong) 可以從(cong) 泵浦光中得到足夠的能量進行光學放大，然後再通過壓縮元件將能量放大後的脈衝(chong) 壓縮至超短脈衝(chong) 範圍後輸出。目前，通過此技術所獲得的單脈衝(chong) 能量高達毫焦耳甚至焦耳量級，用透鏡或者透鏡組將超短脈衝(chong) 進一步會(hui) 聚後，能夠在焦點處產(chan) 生 10E19 W/cm2的極高峰值功率密度，此項技術為(wei) 超快、超強激光與(yu) 物質相互作用的機理和應用研究提供了實驗基礎。隨著超短脈衝(chong) 激光及啁啾脈衝(chong) 放大技術的誕生，激光加工技術達到了一個(ge) 全新的高度。飛秒激光視力矯正，也是大家比較熟悉的激光應用之一。在眾(zhong) 多的近視矯正術中，全飛秒激光手術已經成為(wei) 主流治療近視眼的方法，與(yu) 傳(chuan) 統的準分子激光手術相比，全飛秒激光手術具有手術準確度高、無明顯疼痛感、術後視覺效果好等優(you) 勢。由於(yu) 心髒支架壁管極薄，通常采用激光加工代替常規的機械切割。但是，使用普通激光通過燒蝕融化來加工，這樣加工的心髒支架存在毛刺多、切槽寬度不統一、表麵燒蝕嚴(yan) 重、筋寬不均勻等一係列問題。近年來，國外企業(ye) 已經開始采用飛秒激光進行支架切割。雙光子聚合技術(2PP)是一種“納米光學”3D打印方法，類似於(yu) 光固化快速成型技術，未來學家 Christopher Barnatt認為(wei) 這種技術未來可能會(hui) 成為(wei) 主流3D打印形式。雙光子聚合技術的原理是通過使用“飛秒脈衝(chong) 激光”選擇性固化感光樹脂。聽起來似乎像光固化快速成型，區別在於(yu) 雙光子聚合技術能夠實現的最小層厚和X-Y軸分辨率均在100納米和200納米之間。換句話說2PP 3D打印技術比傳(chuan) 統光固化成型技術精確度高了幾百倍，打印出來的東(dong) 西比細菌還小。關(guan) 於(yu) 貝塞爾光束的激光應用，國內(nei) 基本比較成熟了。最成功的案例，我想應該就是激光切割顯示麵板了吧。由於(yu) 激光加工效率高，穩定好，維護方便，目前激光倒角機已經基本取代了機械式倒角機。這項激光加工技術的基本原理是通過超快激光的光束整形，獲得長焦深的貝塞爾光束，作用於(yu) 顯示麵板的玻璃基板，實現任意形狀的切割。市場上的各種全麵屏手機，例如劉海屏，水滴屏，美人尖等，這些屏幕外形基本都是采用超快激光切割獲得的。貝塞爾激光切割透明脆性材料，嚴(yan) 格來講是包含兩(liang) 個(ge) 步驟，即切割+裂片。因為(wei) 激光切割後，材料並不能自動脫落，而是需要借助外力實現裂片。而裂片的難度隨著切割材料的厚度增加，是明顯增大。對於(yu) 切割較厚的材料，要麽(me) 可以多次切割，來彌補切割焦深不夠的不足，要麽(me) 提高激光脈衝(chong) 能量，設計更長焦深的切割頭。此外，技術上也有一些解決(jue) 方法，例如burst-mode脈衝(chong) 串模式。再不夠的話，那就得依靠激光技術的提升，獲得更高的脈衝(chong) 能量了。而裂片，就相對複雜一些了。不僅(jin) 僅(jin) 是因為(wei) 材料厚度增加後，裂片的阻力明顯增大。還包括切割形狀（例如異形）、切割內(nei) 封閉圖形、材料特性等因素，使得裂片的難度和複雜性明顯增大。對OLED而言，其聚合物材料對熱影響特別敏感，加上現在做的cell的尺寸、間隔都非常小，留下的加工尺寸也特別小，像以前的傳(chuan) 統模切工藝已經不適用於(yu) 當今的生產(chan) 需求了，而且現在還有異型屏、打孔屏的應用需求，更是超出了傳(chuan) 統工藝的能力範疇。這樣超快激光的好處就體(ti) 現出來了，尤其是皮秒紫外，甚至飛秒激光，它的熱影響區小，而且更適合曲線加工這種更加靈活的應用。對玻璃等透明固體(ti) 介質來說，超短脈衝(chong) 激光在介質中傳(chuan) 播會(hui) 出現非線性吸收、熔化損傷(shang) 、等離子體(ti) 形成、燒蝕、光絲(si) 傳(chuan) 播等多種現象。圖示為(wei) 不同功率密度及時間尺度下，超短脈衝(chong) 激光與(yu) 固體(ti) 材料相互作用發生的各種現象。正因為(wei) 超短脈衝(chong) 激光微焊接技術無需插入中間層、高效率、高精度、無宏觀熱效應以及微焊接處理後具有比較理想的力學、光學性能，其非常適合用於(yu) 玻璃等透明材料的微焊接。例如，研究人員使用70 fs、250 kHz 脈衝(chong) 成功為(wei) 標準光纖和微結構光纖焊接端蓋。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
