纳米激光材料

1.纳米材料背景介绍
2.纳米材料的分类及纳米激光材料的制备
3.纳米激光材料的应用和发展前景，你们小组讲第三部分，请分工协作好，下周一我们要讲了
激光材料
激光材料（laser material）
把各种泵浦（电、光、射线）能量转换成激光的材料。

激光器的工作物质。

激光材料主要是凝聚态物质，以固体激光物质为主。

固体激光材料分为两类。

一类是以电激励为主的半导体激光材料，一般采用异质结构，由半导体薄膜组成，用外延方法和气相沉积方法制得。

根据激光波长的不同，采用不同掺杂半导体材料。

通常在可见光区域，以族化合物半导体为主；在近红外区域，以族化合物半导体为主；在中红外区域以Ⅳ-Ⅵ 族化合物半导体为主。

另一类是通过分立发光中心吸收光泵能量后转换成激光输出的发光材料。

这类材料以固体电介质为基质，分为晶体和非晶态玻璃两种。

激光晶体中的激活离子处于有序结构的晶格中，玻璃中的激活离子处于无序结构的网络中。

常用的这类激光材料以氧化物和氟化物为主，如硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧化铝晶体、钇铝石榴石晶体、氟化钇锂等。

氧化物材料具有良好的物理性质，如高的硬度、机械强度和良好的化学稳定性；氟化物材料具有低的声子频率、宽的光谱透过范围和高的发光量子效率。

浅谈我国激光材料加工的发展概况
2009年01月31日15:38 生意社
生意社01月31日讯
中国的工业激光市场应该在全球占据着重要地位，但统计资料表明，中国的激光加工市场，不到全球激光
产业市场的1%，存在着巨大的差距。

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在世界上第一台红宝石激光器出现的第二年，中国就研究出了自己的红宝石激光器，此后短短几年内，激光技术迅速发展，产生了一批先进成果，各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。

在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法和新技术（如腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、铼系离子的利用、自由电子振荡辐射等）纷纷提出并获得实施，其中不少具有独创性。

同时，作为具有高亮度、高方向性、高质量等优异特性的新光源，激光很快应用于各技术领域，并显示出强大的生命力和竞争力。

在材料加工领域，1965年5月激光打孔机成功地用于拉丝模打孔生产，获得显著经济效益，这是中国激光材料加工的雏形，但是未能形成气候，真正得到重视并实质性起步，还是在改革开放后，特别是“发展高
技术，实现产业化”的政策导向下，我国才有了真正意义上的激光产业。

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1987年1月，中国光学行业协会成立，后改名为中国光学光电子行业协会，其下设有激光分会。

据1998年该行业协会对我国激光产业状况的调研统计，全国主要激光产品生产单位约100多家，从业人员6400人，人均销售额12.5万元，主要分布在湖北、北京和上海。

我国的激光产业由1988年的1亿元增加到1998s 年的8亿元，平均年增长22.3%，10年总销售额达41.2亿元。

1998年出口1120万美元，占总值的11.6%。

体现激光材料加工的发展水平有三个方面的因素：第一是激光器技术，即应用于激光材料加工的激光器件技术；第二是激光设备加工的机械、控制系统等，即激光加工设备；第三是激光加工工艺水平。

目前，我国在工业激光器水平有了许多重要进展：CO2激光器（100W~5KW）以及Y AG激光器（30W~500W）已经有了系列化产品，有5个工厂已形成了年产20到50台500W~5KW横流CO2激光器的生产能力，有生产500W~3KW轴流CO2激光器的10台～20台能力的厂2家，这种激光器主要用来作激光切割，此种激光器到2001年底，共生产和销售了近600台，此外，激光加工用的Y AG激光器（包括连续、准连续、脉冲激光），到2001年底共生产，销售了约3000台，其中以30W、50W、100W、200W为主，已形成Y AG 激光器生产能力的工厂和研究所有10余家，以上足以说明我国激光器已被企业科研院所、高校采购的国产各类激光器超过4000台，中小功率的准分子激光器也已开发成功，400W准分子激光器已通过鉴定，研究单位在制备薄膜、光刻、清洗方面试用。

我国主要CO2激光器加工机批量产品有CO2激光热处理机、CO2激光切割机、小功率CO2激光雕刻机及CO2激光标记机，主要生产CO2激光热处理机的企业有6家，生产中高功率的CO2激光切割机有5家，生产CO2激光雕刻机的4家，生产CO2激光标记机的在6家以上，武汉楚天激光产业集团及下属子公司目前可以提供上述所有激光加工设备，是目前我国最大的工业激光产品基地。

其中激光热处理机用于发动机缸体、气缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴及冶金工业的轧辊、导板等易损件的热处理，也有多种专用机在生产线上应用。

激光切割机主要用于金属板、木模板、塑料板等切割成型；激光雕刻机用于图章及柔版雕刻；激光标记机用作电子元器件、物品包装等生产线上打标。

我国Y AG激光加工机批量产品有激光标记机、激光焊接机、激光划片机、激光电阻微调机、拉丝模激光打孔机以及掩模板激光修正设备等，已形成批量或小批量生产的企业（研究所）17～18家，已经能部分满足国内生产企业应用，并出口到多个国家和地区。

随着激光加工技术的发展和应用，推动了我国生产各类激光加工产品和零部件企业如雨后春笋般成立和壮大，并在全国有一个分布，目前有多家超过千万元的企业，主要分布在湖北、北京、广东、上海、山东、江苏，其它有辽宁、广西和浙江，其中有三家企业年销售额超过5000万元。

目前，激光材料加工已经在中国成为一个新兴产业，激光企业已经达到规模化生产水平，有成熟完善的激光产品和批量生产能力，有完整的产、供、销、维修服务体系，大部分激光企业都已经通过了各种质量体系认证，激光材料加工企业已经形成具有一定规模的激光产业群，并具有地区分布优势，一般集中在科研力量雄厚和经济较为发达的省份，为以后的发展奠定了良好基础。

激光与材料的相互作用
发布日期:2007-10-04 我也要投稿!作者:网络阅读: 504[ 字体选择：大中小]
作为能量源的激光束可以聚焦成很小的一个光斑，无需直接接触，即可与材料发生相互作用。

激光的性能不断提高，现在的激光具有各种不同的波长、功率和脉冲宽度，这些参数的不同组合适用于各种不同的加工需要。

为了更好地了解激光的潜能，工程师们必须熟悉这种技术以及其中的细微差别。

在决定使用何种激光前，工程师应该了解激光工作原理、激光与材料的相互作用、激光参数以及何时可利用激光进行医疗材料加工。

了解这些知识后，工程师设计医疗器械时就能做出正确的决定。

激光在器械加工中的应用机会
激光可用于器械制造的许多加工环节中。

例如，激光切割便是一种常见用途，常用于制造支架等小型器械。

激光还可用于加工通沟或盲孔。

该技术可用于加工医疗诊断设备的微流体通道以及给药用微量注射器的小孔。

目前，人们正利用激光加工技术研制用于芯片实验室上的微型传感器和传动器上的硅制微型机械。

激光焊接和打标常用于植入器械和手术器械的制造中。

此外，激光还常用于表面纹理加工中，例如：可用于矫形外科植入物的表面处理上，提高表面的粘附性。

激光工作原理
激光的工作原理较为简单。

通过一个光子激发其他光子，使大量光子以光束的形式一起发射出去。

肉眼可能无法看见的光束由激光腔中发射出去，然后被传导至材料加工工作站中。

根据激光波长的不同，光束可通过光纤传播或者经光学元件直接传播。

目前使用的激光大都早在20世纪60年代就已经问世，包括Nd:YAG激光、二氧化碳激光和半导体激光。

激光器集成到工业用机械中经过了数年的时间，尽管技术已经成熟，但激光器仍在不断改进，例如：人们研制出能产生很短脉冲宽度的如皮秒和飞秒激光器。

此外，激光材料在光纤激光器、光碟激光器和焊接用绿光激光器内的独特排列进一步丰富了材料加工的方法。

材料加工所用激光波长从紫外线一直到红外线，包括了可见光谱。

常
用激光类型及其波长列于表I 中。

除激光类型外，选择激光时还要考
虑其他许多方面，例如：激光腔的设计、光学传送元件和激光与材料
相互作用。

最为关键的是，医疗器械设计人员必须了解激光束如何与
不同器械材料发生相互作用以及如何用于材料加工中。

激光与材料的相互作用
激光束投射在材料表面时，部分能量被反射，部分被吸收，部分被传递出去，具体情况取决于材料类型和激光波长。

在到达材料表面的光能中，被材料吸收的那部分能量是对材料加工有用的。

1,2 光能以电子和原子的振动激发形式被吸收，并转化为热能，扩散至临近原子。

随着吸收的光子越来越多，材料温度不断升高，从而提高光能吸收的比例。

该过程可引发连锁反应，使温度在极短时间内（焊接中通常为一毫秒内）急剧升高。

温度升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。

光吸收长度是指光子能量被吸收导致光束强度降低至原来的1/e (37%)时光束传播的距离。

该距离内材料吸收能量转化的热能扩散距离为
L = [4Dt ]1/2,
其中L 为扩散距离，D 为热扩散率，t 为激光的脉冲宽度。

如果热扩散距离远大于吸收长度，激光光斑处的温度升高将很有限。

相反，如果扩散距离小于吸收深度，温度将急剧升高，导致材料熔化，甚至汽化。

要达到预期的效果，无论是加热、软焊、焊接、钻孔、打标、切割还是微加工，工程师都必须选择合适的激光波长和脉冲宽度。

当光吸收深度与热扩散距离相等时，可以达到一个临界值，可根据该值选择特定频率激光的脉冲宽度。

表II 列出了使用248nm 波长激光时限制热扩散所需脉冲宽度的计算
结果。

由于各种金属的吸收深度接近，脉冲宽度的差异主要取决于扩
散距离间的差异。

例如，不锈钢与镍相比导热性较差，因此进行微加工时可以使用较长的脉冲宽度；另一方面，与镍相比，硅导热性更好，因此烧蚀时需要较短的脉冲宽度。

人们认为，采用飞秒脉冲时，由于功率密度高、时帧短，激光与材料
间的相互作用发生在多光子非线性过程中。

此过程极为迅速，因此可以认为光束实际上一瞬间即可去除表面的原子，而不影响临近原子。

由于飞秒激光不会在暴露表面上留下扰动层，因而适合微加工。

表I. 材料加工中常用的激光波长。

(点击放大
) 表II. 利用准分子波长
的激光进行微加工时，
需要采用不同的脉冲宽
度，以便使热扩散距离
与吸收长度相等。

脉冲
宽度值（皮秒）仅供比较；应通过实验进行全面评估。

(点击放大)
对于烧蚀来说，所用脉冲宽度必须小于表II 中计算的临界值，但这样
还不够。

还必须保证脉冲具有足够的能量，以便每个脉冲都能加热足
够体积的加工材料。

对于一定的脉冲能量来说，随着脉冲时间的缩短，
热量越来越被局限在激光光斑附近,逐渐产生加热、熔化、烧蚀、最终
达到汽化的效果。

选定合适的波长后，就要确定脉冲能量和脉冲宽度
的组合，从而确定材料加工的类型。

不同加工应用中常用的脉冲宽度
和能量密度值列于表III 中。

尽管激光与材料间的相互作用基本相似，但不同材料如金属、陶瓷、玻璃和塑料还各有不同的特点。

图1显示了金属、塑料、陶瓷和玻璃的吸收长度-波长曲线。

图中曲线为示意图，仅供讨论，而且仅于室温下有效。

《激光工业应用(Industrial Applications of Lasers )》和《美国激光学会激光材料加工手册(LIA Handbook of Laser Materials Processing )》1,2 中列出了各种材料的吸收特性。

激光无法透过金属材料，部分能量会被吸收和反射掉。

金属吸收二氧
化碳激光的能力较弱，激光波长越小，吸收率越高，能量传递效率也
越高。

尽管金属对二氧化碳激光的吸收较少，但只要能量密度很大，
二氧化碳激光仍可有效用于金属的焊接和切割。

与金属相反，陶瓷和玻璃对各种波长的激光都能很好地吸收。

但由于陶瓷的抗热冲击性能差、熔点高，因此加工难度比金属大。

玻璃只能吸收一小部分的YAG 激光入射能，但由于玻璃导热性差，因而较易
熔化。

塑料能够更好地吸收激光能量，特别是紫外线激光和二氧化碳激光。

一些波长位于紫外线范围的激光能够打断塑料分子中特定的化学键
(见表IV)，这为激光增添了一些新的用途。

通过这些波长的激光，可
以选择性地改变材料的表面性质。

此外，如果塑料足够透明，工程师
还能改变其表面下的材料性质。

激光参数 激光加工能否达到预期效果很大程度上取决于一些激光参数以及这些参数的相互依存关系。

工程技术人员选择某一激光波长或加工机械前，必须全面了解这些关系。

脉冲能量。

考虑激光参数时大多从单个脉冲的能量开始。

采用最新一代的电源时，可以按照预期的传送曲线设定每次脉冲的能量，可以使脉冲开始时能量逐渐升高，结束时逐渐降低。

调节脉冲形状有助于改善加工控制效果。

表III. 常见材料加工中的脉冲宽度和能量密度值。

(点击放大
) 图 1. 示意图显示了所
选金属、玻璃和塑料材
料的吸收特性。

(点击放
大
)
表IV . 一些波长位于紫外线范围的激光在加工时能够打断聚合物材料
中的化学键。

(点击放大)
功率密度。

功率密度实际度量的是到达材料上的激光光子数。

功率密度单位为瓦特/平方厘米，由脉冲能量除以光斑面积计算而得。

即使在单个光斑内，由于激光束质量不同，功率密度也有很大差异。

M2。

M2 衡量的是光束内的能量分布。

M2等于1的理想光束中心处能量达到高峰，由中心向四周能量呈高斯分布。

M2较小、接近1时，适合显微加工，M2较大(在30–100范围)时，适合热处理和焊接加工。

脉冲宽度和重复频率。

脉冲宽度定义为激光能量脉冲持续的时间。

大多数激光加工都是以脉冲模式进行的。

在脉冲模式下，激光器按照设定的重复频率和持续时间以脉冲的形式发射能量。

激光器持续开启（称为连续波或CW模式）的加工操作包括：焊接、软焊和热处理。

峰值功率。

尽管激光器的平均额定功率可能很小，但每次脉冲的峰值功率可能非常大。

例如，一般10W的激光器峰值功率可达5kW。

这可能是由于激光能量在极短的脉冲时间内释放的原因。

峰值功率可由脉冲能量除以脉冲宽度计算而得。

如果一个脉冲在1毫秒内释放了1焦耳的能量，那么峰值功率就是1kW。

但是，由于计算得到的是整个脉冲宽度内的平均值，实际的峰值功率可能更大，因为，能量在整个脉冲持续时间内并不是均匀释放的。

光斑直径。

光斑直径大小取决于焦距、波长、M2和光束直径，其关系如下：
光斑直径= 2fλ M2 /D,
其中 f 为聚焦透镜的焦距，λ为波长，M2 为光束质量指标，D 为光束直径。

注意，准分子激光光束质量较差，无法聚焦。

因此，这种激光要通过掩模，以便形成所需的样式，常用于硅芯片的蚀刻。

除波长在选择激光类型后即确定外，其他所有参数间几乎都有相互依存关系，因此必须谨慎设置。

例如，使用焦距较短的透镜改变光斑大小时，会增大功率密度，除非同时按比例减小总体功率。

结论
了解各种激光参数以及激光与材料间的相互作用后，人们会发现很多情况下都可用激光来制造医疗器械。

工程师应检查激光的波长、功率级和脉冲宽度。

但更重要的是，他们必须了解这些参数如何相互作用。

随着器械越来越小，越来越精密，工程师们必须谨慎分析激光系统的各种特性以及这些特性对材料加工会产生何种影响。

参考文献
1. John F Ready, Industrial Applications of Lasers (New York City: Academic Press, 1997).
2. LIA Handbook of Laser Materials Processing, ed. John F Ready (Orlando, FL: Laser Institute of America, Magnolia Publishing, 2001).
激光材料是激光技术发展的核心和基础，具有里程碑的意义和作用：上世纪60年代第一台红宝石晶体激光器问世，激光诞生；70年代掺钕钇铝石榴石问世，固体激光开始大力发展；80年代钛宝石晶体问世，使超短、超快和超强激光成为可能，飞秒激光科学技术蓬勃发展、并渗透到各基础和应用学科领域；90年代矾酸钇晶体问世，固体激光的发展由此进入新时期———全固态激光科学技术……
进入新世纪，激光和激光科学技术，正以其强大的生命力推动着光电子技术和产业的发展。

当前，激光材料的组成和结构发生了深刻的变化，已由传统的块体材料单晶和玻璃，衍生出具有微结构的陶瓷和光纤，推动着激光技术新一轮的迅猛发展。

与此同时，高平均功率、高光束质量的固体激光器的发展，引入了新型的激光工作物质构型和泵浦方式，对传统激光晶体的尺寸提出了更高的要求，反过来推动着晶体生长技术持续发展。

为此东方科技论坛日前召开专家会议，研讨“晶态和非晶态激光材料及其应用战略”。

专家介绍，目前，美国、德国、英国和日本在晶体、玻璃、光纤和陶瓷激光方面，总体上领先于世界各国。

我国在科研、先进制造业、能源、医疗、国防等众多领域亦将拥有规模巨大的激光及其元器件的应用市场需求（目前，国际传统激光器市场是100亿美元/年，未来新应用领域市场潜力将达10000亿美元/年）。

然而我国目前所处的状况是：高技术含量、高附加值的激光器基本从国外进口；军用“杀手锏”激光器仍然处于跟踪、模仿阶段。

其中主要原因是我国对激光器的核心和基础———激光材料的基础研究薄弱，总体上仍然摆脱不了“跟”的状态，原创性的新概念、新材料基本没有，导致我国激光技术产业和国防建设受制于人。

但已立项的百余项国家重点基础研究发展规划项目———国家973计划，至今没有1项关于激光材料的专项。

专家认为，围绕激光和光电子产业中的关键性、基础性、带动性技术——激光材料的基础科学问题进行系统的研究，对我国未来高技术产业和国防建设有“不受制于人”的重大战略意义和现实意义。

应把激光材料的基础科学研究作为国家科技发展战略目标之一，重视材料的基础作用，争取列入国家重点基础研究发展计划（973计划）指南。

改变一味地以应用带动基础材料研究的现状，“材料先行”，加大基础材料研究的资助力度，重视支持新现象、新效应、新概念的基础研究，使我国在21世纪中叶以后在晶态和非晶态激光材料上改变总体上“跟”的状态，适应当时中国科学技术和经济在世界上的地位。

专家建议，在未来5-10年内我国激光材料发展的重点方向应面向先进制造技术、“新概念”激光武器等优质大尺寸激光晶体的生长、高精度加工的技术及相关设备的研究；低散射透明陶瓷的研究；新型光纤、光子晶体光纤的研制；面向人眼安全、遥感、光通讯、医疗等应用的中红外激光材料研究等。

我国激光材料研究应通过国家层面的有效组织，项目牵引、定期召开专题会议、适时成立具有广泛性和权威性的激光材料研究发展战略专家咨询机构，改变当前我国在该领域研究力量分
散、低水平重复的现状，加强合作，凝练目标，力争未来5-10年内在若干重要方向上形成国际领先优势。

同时，定期总结研究进展和存在的问题，提出新的发展目标，为有关决策部门提供科学依据。

1.1纳米光电材料
纳米材料是一种粒子尺寸在1到100nm的材料。

纳米光电材料是指能够将光能转化为电能或化学能等其它能量的一种纳米材料。

由于其良好的性能、巨大的发展前景而广泛用于光通信、光存储、全光网络、光电探测器等各个方面。

1.2纳米光电材料的良好特性
用于光电的半导体材料在尺度缩小到纳米尺度时会表现出与大尺寸材料不同的光学点穴性质。

这是因为当材料尺寸减小时会显现出量子化的效果。

由于半导体的载流子限制在一个小尺寸的势阱中,在此条件下,导带和价带能带过渡为分立的能级。

因而有效带隙增大,吸收光谱阈值向短波方向移动,这种效应就称为尺寸量子效应。

量子尺寸效应除了会造成光学性质发生变化还会引起电学性质的明显改变。

这是因为随着颗粒粒径的减少,有效带隙增大,光生电子具有更负的电位,相应地具有更强的还原性,而光生空穴因具有更正的电位而具有更强的氧化性。

表面效应是纳米光电子材料的另一个重要特性。

纳米粒子表面原子所占的比例增大。

当表面原子数增加到一定程度，粒子性能更多地由表面原子而不是由晶格上的原子决定。

由于表面原子数的增多会导致许多缺陷，从而决定了它有更高的活性。

由此可以看出纳米光电材料比普通光电材料有更高的光催化活性。

1.3纳米材料的分类
纳米材料大致可分为纳米粉末、一维纳米材料、纳米膜等。

纳米粉：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。

一维纳米材料：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。

分为纳米线和纳米管。

纳米膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。

颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。

致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。

本文将从以上三种材料来介绍。

2纳米粉在广电探测器中的研究
纳米粉体具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应、介电限域效应等各种效应，所以纳米粉体表现出强吸光能力、高活性、高催化性、高选择性、高扩散性、高磁化率和矫顽力等奇特理化性能。

纳米粉体的所具有的特异性能使其潜在应用价值极大。

原有的薄层型光电探测器能获得极高的响应速度,但其光学吸收变差,有可能降低器件的灵敏度,这一点对硅光电探测器来说尤其明显,Si的间接带隙特性使得其吸收系数要比Ⅲ2Ⅴ族材料的低很多。

实验表明,只要增加一层金属纳米粉末涂层,就能显著地改变硅薄膜型光电探测器的光吸收特性。

现基于SOI（silicon on insulator）的光电探测器利用金属纳米粉末涂层同SOI 波导模式的相互作用,可。