飞秒,皮秒以及纳秒激光器切割固体

飞秒，皮秒以及纳秒激光器溶解固体

摘要：0.2—5000ps激光溶解固体

题目：蓝宝石激光脉冲的开发、模型以及其性质的展示。飞秒激光对精密材料进行加工的优势也进行了讨论和展示。

正文：高效的利用激光对精密材料进行加工离不开对于调解激光辐射与物质之间相互影响的重要规律的知识。为了实现这一目标，激光与物质之间相互影响的系统研究是必要的。由于现在激光系统的进步，尤其是那些基于啁啾脉冲扩展技术，这样系统的研究已经在非常广泛的激光领域成为可能。CPA系统能够使激光脉冲持续时间从大约100飞秒变至几十纳秒，而其他特性不改变。这就允许我们对多种不稳定的激光与物质之间相互影响的过程进行细致的分析。举些例子，最近的学术研究对于损伤阈值、分割阈值以及高强度激光溶解都有提及。这个系统的研究只是刚刚开始，更多的研究将会帮助我们了解和证实飞秒激光系统对于精密材料加工的潜质。

最近进行的一些关于飞秒和纳秒脉冲溶解固体的实验。飞秒激光的染色和受激分子激光系统对精密材料加工的优势已经体现无疑。在这一研究报告中，我们展示了激光溶解和打孔技术的商业用途，蓝宝石激光提供了一个780nm，能量为100mJ，持续时间可在0.2—5000ps进行变化的激光系统。实验处于一个低影响的体系中，在其中，只是很少量的超出蒸发阈值。这个体系对于溶解精密固体实验意义非凡，这样一来，固体内的能量沉积和热影响区域都会被降到最低。我们讨论和举例飞秒激光脉冲的优点，希望能刺激在这个领域新的研

究。第一部分中，我们将展示三种不同持续时间的脉冲在低影响条件下溶解金属的特点：飞秒，皮秒以及纳秒激光器这三种实验对象。关于实验的配置和结果，我们将在第二部分中给出。

1、理论知识背景

在低强度的短波激光脉冲作用于金属物时，由于反方向的韧制辐射，激光的能量会被自由电子吸收。然后，被吸收的激光能量需要在电子系统中热能化，将能量传输到晶格中，由于电子的热量传输给了溶解目标，导致能量流失。如果我们假定，在电子系统中的热能化是非常快而且其电子和晶格系统都以热量为表征（

T&i T），那么能量

e

进入金属中的过程就可描述为一维下，以两个温度为变化量的扩散模型：

在上式中，z为与固体目标表面垂直的一个分量，Q(z)是热流量，S为激光加热源项，I(t)是激光光强，A=1-R和α分别是材料表面透射率和材料的吸收常数，

C和i C分别是电子和晶格系统的单位

e

体积比热容，γ是电子-晶格耦合的特征参量，

k是电子的热导率。

e

在上式中，忽略了晶格系统中的热导率。电子比热容远远低于晶格比热，因此电子会被加热到一个非常高的瞬时温度。当电子的温度（单位能量）残留小于费米能量时，电子比热容和非平衡态的电子比热容

可以用公式e e e T C C '=（其中'e C 是常量）和i e i e T T T k k /)(0⋅=（其中i T k )(0是金属物正常平衡态下的比热容）。耦合系数γ和最新的测量结果在资料中给出。

方程（1-3）中有三个特征时间量e τ、i τ和L τ，其中γτ/e e C =是电子的冷却时间，γτ/i i C =是晶格的加热时间（i e ττ<<），而L τ是激光

脉冲的持续时间。这三个参数定义了激光和金属相互作用的三种不同环境，分别称为飞秒，皮秒和纳秒环境。

飞秒脉冲

首先我们考虑到激光脉冲持续时间小于电子冷却时间，e L ττ<<。对于e t τ<<，可写成e e e T t T C γ>>/，忽略掉电子-晶格耦合。所

以（1）式可以很容易的解得。由于用一般解法解决此式会非常繁琐，所以在我们的公式里忽略电子热导率。这样就能得出，在条件满足2-<ατL e D ，则e e e C k D /=就是电子热能扩散系数。可将（1）式还原成

为

可得到

这里0)(I t I =是假定的常数，A I I a 0=，而)0(0e T T =是初始温度。最终激光脉冲电子温度有下式给出

规定0)(T T L e >>τ，L a a I F τ=是激光吸引的影响，αδ/2=是表面厚度。

激光脉冲引起的电子和晶格的温度变化由公式(1-3)描述，其中S=0.电子和晶格的初始温度条件由（6）式给出，其中0T T i =。由于能

量传输到晶格，热量导入了物体的其他地方，在激光脉冲后，电子得以快速冷却。因为电子冷却时间很短，（2）式就能写成i L e i t T T ττ/)(≈（此处初始晶格的温度被忽略了）。晶格可到达的温度已经由电子平均冷却时间γττ2/)('L e e a e T C =决定了，可以得到

关于金属电子收到飞秒激光照射后的热运动，在去年已经进行了集中的研究。研究展示了在1ps 内，电子的快速冷却同时有大量能量传输到晶格之中。

实验揭示了当i i T C 增长到大于Ωρ出现明显的蒸发现象，其的ρ是密度，Ω为单位体积物体的蒸发热量。利用（7）式，可写出出现此蒸发现象所需的条件

其中αρ/Ω≈th F ，th F 是飞秒脉冲产生蒸发的阈值激光能量密度。而激

光溶解深度百分比由L 表示

这个对数的得出依赖于激光能量密度所对应的溶解深度已经由激光溶解有机聚合物中给出了。

由于用飞秒激光进行溶解时，接触到固体的时间非常短就能完

成溶解过程，所以把这个过程看作固体直接气化（或者固体直接液化）。这时的晶格在1ps 内被加热，结果就是物体变为气态或者离子态，继而在真空中快速的扩散。整个过程的热传导在一次近似中就被忽略掉了。实践证实了，飞秒激光加工的利处在于能够给金属（以及其他固体）加工提供一个精确而又干净的加工过程。

皮秒脉冲

现在我们开始讨论皮秒激光溶解技术，所有结论都建立在以下条件i L e τττ<<<<之上。

由e e e T t T C γ<>，（1）式的电子温度变成稳定的，（1-3）

式可化为

（2）式为晶格温度，写为积分形式。方程描述了被激光溶解的金属在e L ττ>>下的受热情况。当条件i t τ<<被满足时，由于电子温度是稳

定的，则（11）式可被简化。忽略0T ，就得到

公式表明。在飞秒环境下，晶格温度的保持远少于电子温度。这就允许我们在公式（10）中忽略晶格温度。当条件满足e e e T T k γα<<2，对（10）

式和（12）式的分析就变得十分简单了。在此情况下，由于能量转移至晶格中，导致电子冷却。电子温度和晶格温度在激光照射后由公式