6.6 超短脉冲激光微细加工介绍讲解
超短脉冲激光及其相关应用的一些基本知识
超短脉冲激光及其相关应用的一些基本知识一、本文概述超短脉冲激光，作为现代光学领域的璀璨明珠，以其独特的性质和应用价值，正逐渐引起人们的广泛关注和深入研究。
本文旨在全面介绍超短脉冲激光的基本概念、产生机制、特性以及其在各个领域中的应用，帮助读者更好地理解和应用这一前沿技术。
我们将首先概述超短脉冲激光的定义和特点，包括其脉冲宽度、峰值功率、光谱特性等基本属性。
接着，我们将探讨超短脉冲激光的产生方法，包括调Q技术、锁模技术、光参量放大等，并简要介绍各种方法的原理和应用场景。
在了解了超短脉冲激光的基本特性后，我们将重点介绍其在各个领域中的应用。
这些应用包括但不限于：光学精密测量、超快现象研究、材料加工、生物医学等。
我们将结合具体案例，详细阐述超短脉冲激光在这些领域中的独特优势和实际应用效果。
我们将对超短脉冲激光的发展前景进行展望，分析其在未来科学研究和技术应用中的潜在价值和挑战。
通过本文的阅读，读者将能够全面而深入地了解超短脉冲激光及其相关应用的基本知识，为其在未来的科研和工作中提供有益的参考和启示。
二、超短脉冲激光的基本原理超短脉冲激光，也被称为超快激光，其脉冲宽度通常在纳秒（ns）甚至更短的皮秒（ps）、飞秒（fs）量级。
这种激光技术的基本原理主要涉及到激光产生和控制的物理过程。
我们需要理解激光是如何产生的。
激光产生的关键在于实现粒子数反转，即高能级粒子数大于低能级粒子数。
当高能级粒子数足够多时，受激辐射将占据主导地位，从而产生激光。
超短脉冲激光的产生则需要在此基础上，进一步控制激光的振荡过程，以实现脉冲宽度的缩短。
超短脉冲激光的产生通常利用调Q技术或锁模技术。
调Q技术通过改变谐振腔的Q值（品质因数），使得激光能量在短时间内迅速积累并释放，从而得到高能量的超短脉冲。
而锁模技术则是通过特定的光学元件和控制系统，使得谐振腔内的多个振荡模式同步，形成单一的高强度超短脉冲。
超短脉冲激光的特性使其在许多领域具有广泛的应用。
超短脉冲激光技术-PPT
2N+1个振荡得模经过锁相以后,总得光场变为频率为ω0得调幅
波。振幅Ａ(t)就是一随时间变化得周期函数
为讨论方便,假定α = 0,则
7个纵模锁定后得输出光强
具有如下性质:
(1)激光器得输出就是间隔为τ=2L/c得规则脉冲序列
(2)每个脉冲得宽度
1 2N 1
1 q
,可见增益线宽愈宽,愈可能得到
驰豫振荡产生得激光脉冲得特点: l脉冲得峰值功率低 l增大抽运能量只会增加小尖峰得个数 l脉宽度约为ms量级
驰豫振荡示意图
调Q原理
驰豫振荡脉冲能量低得原因在于每个脉冲总在阈值附近产生
要产生高能量脉冲,必须控制腔内损耗,即调节腔内得品质因数Q
设法在光泵浦初期将激光器内得振荡阈值调高,从而抑制激光振 荡,使工作物质得上能级粒子数得到积累。随着光泵得继续激励, 上能级粒子数逐渐积累到最大值。此时,突然将器件得阈值调低, 那么,积累在上能级得大量粒子便雪崩式地跃到激光下能级,从而 获得贬值功率极高得激光脉冲输出。
被动锁模原理
在没有发生锁模以前,假设腔内光子得分布基 本上就是均匀得,但还有一些起伏。由于染料 具有可饱与吸收得特性,弱得信号透过率小, 受到得损耗大,而强得信号则透过率大,损耗 小,且其损耗可通过工作物质得放大得到补偿。 所以光脉冲每经过染料与工作物质一次。其 强弱信号得强度相对值就改变一次,在腔内多 次循环后,极大值与极小值之差会越来越大。 脉冲得前沿不断被削陡,而尖峰部分能有效地 通过,则使脉冲变窄。
可饱与吸收体得吸收特性
被动锁模过程
Intensity
Short time (fs)
k= 1 k= 2 k= 3
k= 7
激光微加工技术讲解
自1960年第一台激光器问世以来，激光的研究及其在各个领域的应用得到了迅速的发展。
其高相干性在高精密测量、物质结构分析、信息存储及通信等领域得到了广泛应用。
激光的高方向性和高亮度可广泛应用于加工制造业。
随着激光器件、新型受激辐射光源，以及相应工艺的不断革新与优化，尤其是近20年来，激光制造技术已渗入到诸多高新技术领域和产业，并开始取代或改造某些传统的加工业。
1987 年美国科学家提出了微机电系统(MEMS发展计划，这标志着人类对微机械的研究进入到一个新的时代。
目前，应用于微机械的制造技术主要有半导体加工技术、微光刻电铸模造(LIGA工艺、超精密机械加工技术以及特种微加工技术等。
其中，特种微加工方法是通过加工能量的直接作用，实现小至逐个分子或原子的去除加工。
特种加工是利用电能、热能、光能、声能、化学能等能量形式进行加工的，常用的方法有：电火花加工、超声波加工、电子束加工、离子束加工、电解加工等等。
近年来发展起来一种可实现微小加工的新方法：光成型法，包括立体光刻工艺、光掩膜层工艺等。
其中利用激光进行微加工显示出巨大的应用潜力和诱人的发展前景。
为适应21世纪高新技术的产业化、满足微观制造的需要，研究和开发高性能激光源势在必行。
作为激光加工的一个分支，激光微加工在过去十年被广泛关注。
其中原因之一是由于更加有效的激光源不断涌现。
比如具有非常高峰值功率和超短脉冲固体激光，有很高光束质量的二极泵浦的Nd:YAG激光器等。
另外一个原因是有了更为精确、高速的数控操作平台。
但一个更为重要的原因是不断涌现的工业需求。
在微电子加工中，半导体层的穿孔、寄存器的剪切和电路修复都用到激光微加工技术。
激光微加工一般所指加工尺寸在几个到几百微米的工艺过程。
激光脉冲的宽度在飞秒（fs ）到纳秒（ns ）之间。
激光波长从远红外到X 射线的很宽波段范围。
目前主要应用于微电子、微机械和微光学加工三大领域。
随着激光微加工技术的发展和成熟，将在更广的领域得到推广和应用。
浅析超短脉冲激光微纳加工技术
浅析超短脉冲激光微纳加工技术1 前言随着激光技术的发展，激光器件向着超短脉冲、超高强度、超短波长的方向迈进，这给激光材料加工带来了革命性的进步。
近年来超短脉冲激光精密加工越来越得到人们的关注。
这主要体现在超短脉冲激光加工可以得到高于长脉冲激光加工的精度，最高可以达到亚微米甚至纳米。
另外超短脉冲激光除了可以进行材料表面的加工，还能够实现对透明材料内部的加工与改性。
适用于其他加工方法无法实现的高精度、复杂形状元器件的加工，实现真三维、可设计、可集成。
超短脉冲激光的瞬间功率极大，可以和几乎任何材料相互作用，因而可用于激光加工的材料几乎不受限制。
对于超硬、易碎、高熔点、易爆等材料的加工，更具有其他方法无法匹敌的优势。
这里的超短脉冲激光微细加工技术指的是利用超短脉冲激光(脉冲宽度在皮秒至飞秒量级，10-12~10-15s) 对材料的显微加工、精密裁切以及微观改性。
这里的3个术语定义如下：显微加工指的是对样品材料的精密去除；精密裁切指的是用激光将样品材料裁切成微纳尺度的特征形状；微观改性指的是利用激光改变样品材料特定微观区域的物理化学性能。
这3个术语既相互独立又紧密相连，有时在微观改性的同时也伴随着样品材料的精密去除，而显微加工是精密裁切的基础。
我们把上述术语统称为超短脉冲激光微纳加工。
2 超短脉冲激光微纳加工分类从材料的性能变化来说，超短脉冲激光微纳加工可以分为表面形貌、折射率、离子价态、相态、缺陷态、晶态、化学键以及能带结构等的修饰与调控。
在超短脉冲激光加工过程中，有时是单一的性能修饰，有时是多项性能的修饰同时发生。
现举例说明。
图1为超短脉冲激光诱导的6种材料性能转变。
(a)为在金属表面形成的亚波长周期结构。
其周期从入射激光波长尺度到入射波长的1/10，为制备纳米尺度周期结构提供了一种全新的途径。
(b)为波导结构。
超短脉冲激光可以在透明材料内部诱导折射率改变，写入二维、三维的波导结构及器件，如分束器、衍射光栅、阵列波导光栅、波导激光器等。
6.1 激光微细加工技术概述讲解
（2）以德国为代表的光刻、电铸和注塑技术；
（3）以日本为代表的机械加工方法的微细化；
2.4 微细加工技术的分类
根据加工原理分为三大类：
（1）分离加工：将材料的某一部分分离出去的加工方式，如切削、
分解、刻蚀、溅射等； （2）结合加工：同种或异种材料的附加或相互结合的加工方式， 如蒸镀、沉积、生长、渗入等； （3）变形加工：使材料形状发生改变的加工，如塑性变形等；
（3）1962年加州和贝尔实验室开发出微型硅压力传感器； （4）70年代开发出硅片色谱仪、微型继电器； （5）70-80年代制造出多种微小尺寸的机械零部件； （6）1988年制造出了硅静电马达，89年提出了“微电子技术应用 于电子机械系统”，自此MEMS成为世界范围的学术用语。
目前，微细加工技术的最新发展主要体现在： （1）以美国为代表的硅基微机电系统制造技术；
3. 小结
本次课介绍了微细加工技术的概念、发展起源、不同
分类和与传统加工相比的特点。
4. 作业思考题
1 ）微细加工技术就是传统精密加工技术的说法对吗，两者的
区别与联系是什么？ 2）高能束流微细加工主要包括哪几种具体的工艺手段？
2. 微细加工技术的发展
2.1 微细加工技术的概念
是指能够制造微小尺寸零件的加工技术的总称。
广义讲，包含了各种传统精密加工方法和与其原理截然不同的新
方法，如微细切削、磨料加工、微细特种加工和半导体工艺等； 狭义讲，微细加工技术是在半导体集成电路制造技术基础上发 展起来的，如气相沉积、光刻、离子束溅射和真空蒸镀等。
2.2 微细加工技术的起源
集成化和智能化方向发展；另一个就是寻求固有制造技术的自
身加工极限。 微 机 械 或 微 电 子 机 械 系 统 (MEMS:Micro Electro Mechanical Systems) 是 20 世纪 80 年代后期发展起来的一门新 兴学科，它给国民经济、人类生活和国防、军事等带来了深远
短脉冲激光在精密加工中的应用
短脉冲激光在精密加工中的应用一、引言短脉冲激光是一种非常重要的工业制造技术，可以用于许多不同的加工应用。
短脉冲激光在精密加工中具有非常重要的应用，因为它可以提供高精度、高速度和高效率的制造能力。
本文将阐述短脉冲激光在精密加工中的应用，包括激光切割、激光打标、激光雕刻和激光焊接等方面。
二、短脉冲激光的基本原理短脉冲激光的波长通常在几百纳米到一千纳米之间，脉冲宽度在几纳秒到几百飞秒之间。
与传统的CO2激光器或固态激光器相比，短脉冲激光的能量密度更高、泵浦效率更高，并能够对材料进行更精确的加工。
短脉冲激光的震荡周期通常在几十皮秒到几百飞秒之间，这意味着它们可以产生非常高的峰值功率。
这种高功率可以在很短的时间内将材料加工并产生非常小的热影响区域。
三、激光切割激光切割是一种广泛应用于金属、塑料、木材等材料的切割工艺。
短脉冲激光可用于制造精密模具、钣金制造和汽车制造等领域。
在激光切割过程中，激光束被聚焦到非常小的区域，产生高功率密度。
这样可以很容易地切割各种不同形状的材料，并且不会在材料周围产生明显的裂纹和毁坏。
四、激光打标激光打标是一种非常重要的工业技术，它可以用于多种材料的标记和标识。
激光打标通常使用高功率的激光束将材料表面的一层薄膜蒸发掉，从而产生显著的标记。
这种技术可以应用于各种材料，例如玻璃、金属、塑料和陶瓷等等。
五、激光雕刻激光雕刻是一种将图像或文本刻在不同材料表面上的加工技术。
激光雕刻是一种无接触的技术，可以产生非常精细的纹理和图案。
使用短脉冲激光雕刻可以在很短的时间内将材料雕刻成非常精细的图案。
因此，它在珠宝、文具、玩具、眼镜和音响等领域得到了广泛的应用。
六、激光焊接激光焊接是一种快速且高效的加工技术，可以将许多不同类型的材料焊接在一起。
使用短脉冲激光焊接可以同时达到高精度和高速度。
这种技术在汽车、电子和航空航天等领域得到了广泛的应用。
七、总结短脉冲激光在精密加工中具有广泛应用，能够提供高精度、高速度和高效率的制造能力。
超短脉冲激光提升微加工的速度与效率
超短脉冲激光提升微加工的速度与效率在微加工领域，短脉冲、尤其是超短脉冲激光器正在取代传统的加工方法。
对于超短脉冲激光器，得益于其冷烧蚀特性，因此其对所要加工的材料几乎没有任何限制。
在冷烧蚀过程中，材料的去除本质上只能通过化学键断裂来实现，因此其产生的热影响仅限于几微米的区域，并且相应的变形也最小。
不幸的是，超短脉冲激光器的烧蚀速率仍然非常低，进而限制了其在工业领域的广泛应用。
金属材料的烧蚀阈值在0.2J/cm2的范围内，而玻璃和陶瓷的烧蚀阈值则在几个J/cm2的范围内。
为了提高去除速率，可以使用具有较大聚焦口径的高脉冲能量，以在更大的区域内工作。
在诸如玻璃或聚合物等透明材料加工应用中，可通过非线性效应（如多光子过程）来提高去除速率。
此外，也可以提高重复频率。
重复频率可以从100kHz到几兆赫兹，目前正在进行重复频率超过10MHz的研究。
FIGURE 1. 德国3D-Micromac公司举办的“ISL 2010激光微加工国际研讨会”现场尽管传统的光纤激光器已经在工业环境中植根多年，但是飞秒光纤激光器在市场上仍然属于新事物。
德国耶拿大学的Jens Limpert博士使用的超快光纤激光器，平均功率接近1kW，峰值功率在GW量级，重复频率在kHz到MHz的范围内。
虽然超快光纤激光器已经能够达到上述较高的性能，但是其仍然具有很大的发展潜力。
除了单脉冲之外，另一种提高烧蚀速度的方式是采用所谓的脉冲猝发（burst）。
以50MHz的脉冲序列为例，重复频率为500kHz的脉冲被提取出来并被放大。
“烧蚀效果与脉冲能量成对数关系。
通过这种方式，可以将相同的总能量分配到几个脉冲中，然后通过脉冲叠加来达到更高的去除量。
”Lumera Laser公司的Dirk Müller介绍说。
实验已经证明5~10个脉冲的脉冲猝发是有效的，并且约为20ns的脉冲间隔也已被证明是有效的。
然而，最终获得的去除质量在很大程度上依赖于所要处理的材料。
超短脉冲激光在微纳加工中的应用研究
超短脉冲激光在微纳加工中的应用研究随着科技的不断发展，微纳技术在制造业、医学、通讯等领域得到了广泛的应用。
微纳加工是微纳技术的重要组成部分，而超短脉冲激光则是微纳加工中的一种核心技术。
本文将从超短脉冲激光的基本原理、加工特性及其在微纳加工中的应用展开探讨。
一、超短脉冲激光的基本原理激光是指光束经过放大后能够聚集并形成非常亮的高能光束。
超短脉冲激光则是脉宽在皮秒以下的激光。
在超短脉冲激光中，多个电子被引发，并排成连续的等距的电流带，这个过程叫皮秒爆轰。
在爆轰结束时，被激发的电子会重新排列，因而产生高强度的电子束，即产生超短脉冲激光。
这种激光具有高的能量密度、小的作用面积，并且能够达到高的加工精度。
二、加工特性超短脉冲激光确定了其在微纳加工中的重要地位，其加工特性主要表现在以下几个方面：1. 高能量密度：超短脉冲激光的能量密度很高，可以瞬间融化或气化材料，使其变成等离子体。
由于超短脉冲激光的能量密度远高于常规激光，因此它的加工速度也要较快。
2. 高精度：超短脉冲激光具有精密的切割特性，在切割时不会产生热变形和裂纹等缺陷，将加工精度提升到更高的程度。
3. 低热影响：超短脉冲激光在加工过程中几乎不产生热影响，使加工质量得到极大地提高，同时减少了加工过程中产生的热应力，避免了因热影响而引起的质量缺陷。
三、超短脉冲激光在微纳加工中的应用由于超短脉冲激光具有高能量密度、短脉宽、低热影响以及高加工精度等优点，使它成为微纳加工的重要技术之一。
1. 微型零件的切割加工超短脉冲激光在微型零件的切割加工领域拥有广阔的应用前景。
利用超短脉冲激光进行零部件的微型加工，可以减少传统制造过程中产生的浪费，提高零件的生产效率，可以在以往无法达到的极小尺寸上加工，为其他科技领域提供了广泛的应用前景。
2. 纳米结构的制造纳米结构的制造需要高精度、高效率的制造技术，而超短脉冲激光是目前最有效的制造技术之一。
利用超短脉冲激光制造纳米结构可以实现高精度加工、减少制造成本，并且有很高的单元一致性，可以在制造新型材料、纳米电子、生物医学领域等方面得到广泛的应用。
超短脉冲激光在材料加工中的应用
超短脉冲激光在材料加工中的应用超短脉冲激光是一种具有极短脉冲宽度和高峰值功率的激光，其脉宽一般在几十飞秒到几百飞秒之间。
这种激光具有极高的能量密度和瞬时功率，能够在材料中产生极强的局部高温和压力效应，从而实现高质量的材料切割、制孔、微加工和表面改性等应用。
超短脉冲激光加工的主要原理是光学——热——力——热过程。
当超短脉冲激光聚焦在材料表面时，由于其能量密度极高，瞬间产生大量的自由电子和等离子体。
这些自由电子和等离子体会在极短的时间内重新组合，产生高温和压力效应，从而使材料表面产生化学和物理变化。
超短脉冲激光加工的主要应用包括切割、孔加工、表面改性、微处理等几个方面。
切割是超短脉冲激光加工的最常见应用之一。
在切割操作中，激光被聚焦在材料表面，产生的高温和压力效应会将材料蒸发或熔化，从而实现切割。
由于超短脉冲激光具有很高的精度和加工质量，因此适用于制作高精度和高质量的零部件。
孔加工是超短脉冲激光加工的另一个重要应用。
在孔加工操作中，激光被聚焦在材料表面，产生的高温和压力效应会将材料蒸发或熔化，从而在材料中形成一个小孔。
由于超短脉冲激光具有很高的精度和加工质量，因此适用于制作高精度和高质量的微孔。
表面改性是超短脉冲激光加工的另一个重要应用。
在表面改性操作中，激光被聚焦在材料表面，产生的高温和压力效应会改变材料表面的化学和物理性质。
通常，这种加工方法被用于提高材料的硬度、耐蚀性、抗磨损性等。
由于超短脉冲激光具有很高的精度和加工质量，因此适用于制作高精度和高质量的表面改性。
微处理是超短脉冲激光加工的另一个应用领域。
在微处理操作中，激光被聚焦在材料表面，产生的高温和压力效应可以通过局部的物理和化学变化来改变材料的形态和结构。
通常，这种加工方法被用于制作微器件、微流控芯片等。
由于超短脉冲激光具有很高的精度和加工质量，因此适用于制作高精度和高质量的微处理。
总的来说，超短脉冲激光加工是一种高精度、高质量的加工方法，具有广泛的应用前景。
精密加工中超短脉冲激光的制备及性能研究
精密加工中超短脉冲激光的制备及性能研究超短脉冲激光在精密加工中有着广泛的应用。
本文将介绍超短脉冲激光的制备及其在精密加工中的性能研究。
一、超短脉冲激光的制备超短脉冲激光的制备是通过模式锁定技术产生的。
这种技术是通过使激光介质具有强非线性效应，使得激光在椭圆和线性极化模式之间切换，从而使激光脉冲宽度变得很短。
超短脉冲激光的脉冲宽度通常在几百飞秒至几十飞秒之间。
二、超短脉冲激光在精密加工中的应用超短脉冲激光在精密加工中有很多应用，其中最重要的是微细加工和表面改性。
超短脉冲激光的微细加工能力十分强大，可以用于加工非常小的结构，比如微型零件，甚至可以通过控制激光的位置和强度来加工三维结构。
此外，超短脉冲激光还可以用于表面改性，比如材料表面的纳米结构化和改善表面的粗糙度。
三、超短脉冲激光对精密加工的影响超短脉冲激光在精密加工中有很多优点，比如能够实现高精度和微细加工，不会造成较大的热损伤和材料变形，并且能够改善表面的质量。
此外，超短脉冲激光的微细加工速度较快，能够在很短的时间内完成复杂的加工过程。
然而，超短脉冲激光也存在一些缺点。
超短脉冲激光的加工效果对环境条件非常敏感，比如湿度和温度的变化均会影响加工结果；同时，超短脉冲激光的设备价格较高，不利于推广应用。
四、超短脉冲激光的未来发展未来，随着科技的不断发展和超短脉冲激光技术的不断进步，超短脉冲激光的应用将越来越广泛。
首先，超短脉冲激光的加工效率将得到显着提高，从而能够更好地满足工业生产的需要。
此外，随着材料科学和纳米技术的不断发展，超短脉冲激光的微型加工能力也将得到进一步提高。
同时，将进一步研究超短脉冲激光在不同材料上的表面改性效果，以推动其在新领域的应用。
总之，超短脉冲激光是一种高度精密的工作的方式，具有广泛的应用前景。
虽然仍存在一些挑战和问题，但我们相信，随着超短脉冲激光技术的不断发展和研究的进一步深入，其性能和应用的广度将得到不断提高。
短脉冲激光对材料的微纳加工研究
短脉冲激光对材料的微纳加工研究短脉冲激光是一种尖端的微纳加工工具，由于其高能量浓度、高处理速度、无热效应等优点，被广泛应用于微纳加工领域。
本文将介绍短脉冲激光对材料的微纳加工研究。
一、短脉冲激光简介短脉冲激光是一种时间长度在皮秒、飞秒甚至亚飞秒以下的激光。
与常规激光相比，短脉冲激光具有以下特点：1.高能量密度：短脉冲激光的能量密度远高于常规激光，能量浓度可达百万亿级别。
2.高处理速度：由于短脉冲激光的能量密度极高，处理速度也随之提高。
3.无热效应：短脉冲激光的脉冲时间极短，瞬间作用于材料表面，避免了对材料的热影响。
二、短脉冲激光在微纳加工中的应用短脉冲激光在微纳加工中被广泛应用，包括微电子学、生物医学和材料科学等领域。
下面将就短脉冲激光在微纳加工中的应用做详细介绍。
1.微电子学短脉冲激光在微电子学中的主要应用为半导体材料刻蚀和蚀刻。
半导体器件的制造过程中，需要在半导体材料表面和表面之间形成不同形状、深度和宽度的结构。
由于短脉冲激光具有高能量密度和高处理速度的特点，可以较快地去除材料表面的层并形成高质量的微细结构。
2.生物医学短脉冲激光在生物医学中的主要应用为细胞图案刻印和蛋白质微阵列制备等。
短脉冲激光可以刻印出各种形状与结构的细胞图案。
通过刻印不同形状的细胞图案，可以研究细胞的形态、分子调控以及细胞在不同生长环境下的行为。
通过利用短脉冲激光在微纳米尺寸上的加工能力，可制备出高质量的蛋白质微阵列，以实现生物传感、医学诊断等领域的应用。
3.材料科学短脉冲激光在材料科学中的主要应用为表面微纳加工、精细切割和合成颗粒等。
表面微纳加工利用短脉冲激光去除物质表面，可制备出高质量的微纳结构，也可以通过选择不同的激光参数来实现特定形状和表面结构的制备。
精细切割利用短脉冲激光的高精度和高速度，可将材料切割成特定形状的零件。
合成颗粒利用短脉冲激光高能量密度和高处理速度的特点，能在极短时间内合成具有特殊结构和性质的微纳颗粒。
6.5 超短脉冲激光介绍讲解
物质相互作用、激光核聚变…
图8. 超短脉冲（飞秒）激光切割染色体内的线粒体
图9. 不同超短脉冲激光与物质作用的不同效果
3. 小结
本次课介绍了超短脉冲激光的特点和应用：脉冲宽度
超短、谱线丰富和峰值功率超强的特殊性使得超短脉冲激 光具有与常规激光和物质作用不同的规律，特别适合超快 现象和超强现象研究。
4. 作业思考题
1）与常规激光相比，超短脉冲激光的主要特点是什么？
2 ）飞秒激光与物质作用时属于光热作用还是光化学作用，为 什么？ Nhomakorabea 飞秒脉冲
图2. 超短脉冲激光技术发展
图3. 我国研制的超短脉冲激光器(极光I号和极光II号）
图4. 我国研制的超短脉冲激光器 （极光III号）
2.3 超短脉冲激光的获得方法
锁模技术
调Q技术
2.4 超短脉冲激光的特点和应用 （1）时间宽度非常短:瞬态成像、超快光开关、高速光通信…
图5. 高速摄影技术获得的子弹出膛的瞬间 （微妙量级）
高速摄影技术获得的子弹出膛的瞬间微妙量级飞秒激光的出现使人类第一次能在原子电子层面上研究这一超快运动原子分子层面的粒子运动示意图飞秒量级2光谱含量非常丰富
超短脉冲激光介绍
课程名称：激光加工技术 主讲教师：王文权 单位：浙江工贸职业技术学院
1. 教学目标
了解超短脉冲激光的特点和主要应用。
2.超短脉冲激光的特点和主要应用
飞秒激光的出现，使人类 第一次能在原子、电子层 面上研究这一超快运动
图6. 原子、分子层面的粒子运动示意图（飞秒量级）
（2）光谱含量非常丰富：光谱检测、脉冲整形、光谱编码…
不同原子具有不同的 特征谱线，据此可对 物质的组成和化学成 分做出分析
266nm DPSS激光微加工技术
266nm DPSS激光微加工技术大约十年以前，第一台商业化二极管泵浦固态(DPSS)激光器正式诞生，其可用波长为355nm。
这种激光器的光束为高斯分布，模式接近TEM00模，M2接近为1。
光束的高斯分布和所能得到的高重复频率使得这种激光源十分适合用于材料的切割，钻孔或者是打标。
大部分的材料对于355 nm波长的激光响应很好，本刊英文版曾介绍过其用于聚合物加工(ILS, May 2002) 和金属加工(ILS, December 2004) 的比较结果。
DPSS激光器还有许多其他吸引人的特质，如表格中所示。
但其中最引人注目的是，一旦启动激光器，它可以连续工作几千小时而几乎不需要任何的维护措施。
就我们所知，目前266 nm商用激光器中具有最高平均功率的是3W Avia系列激光器。
当使用激光器进行材料加工时利用的是材料的吸收特性(比尔定律)。
通常，材料吸收的能量越多，加工结果越好。
此外，加工过程干净而且精确，热影响区域小，其关键是打在材料上的激光具有峰值的功率密度，同时，脉冲能量大，脉宽短且光斑小，并且能量百分之百被吸收。
因为波长更短的原因，通常在相同的光学系统条件下，我们使用266 nm的激光比355 nm 的激光所得到的光斑更小，脉宽更短。
我们发现，使用355 nm激光能够做到的，使用266 nm激光都同样能够做到，并且后者通常效果更好(但速度上并非总优于前者)，并且，我们使用266 nm激光可以进行许多使用355 nm激光不能进行的加工。
大部分266 nm激光器使用振镜式导光系统，这种系统既简单又有效。
场透镜的焦距决定了光学分辨率和工作距离，不过大部分的光学装置有1英寸到6英寸的场，光斑大小范围从10到30微米。
我们安装了一套特定的系统，使用了Scanlab的三轴扫描头，它具有30英寸的场距。
如果使用同轴的辅助气体，那么也可以使用固定的导光系统，但是对于大部分的应用来说，速度的降低将带来不便，但对于大批量应用来说是例外，这种情况下光束在材料上画出简单的直线，如晶圆切割。
超短脉冲技术的原理与应用
超短脉冲技术的原理与应用引言超短脉冲技术是一种在相对时间尺度上产生非常短脉冲的技术。
它具有很高的时间分辨率和能量浓度，被广泛应用于多个领域。
本文将介绍超短脉冲技术的原理及其在不同领域中的应用。
超短脉冲技术的原理超短脉冲技术的原理基于光的时间调制性质。
通过优化光学元件和脉冲发生器的设计，可以产生非常短的脉冲。
以下是超短脉冲技术的主要原理：1.【原理1】光的色散补偿：在光经过不同材料或器件时，会因为折射率的不同而引起色散。
超短脉冲技术利用特殊的光学元件来补偿色散，使得在光经过时不会引起时间延迟。
2.【原理2】光纤拉伸：光纤拉伸技术可以将宽频带的光脉冲缩短。
通过拉伸光纤，光的不同频率被拉宽，从而实现宽频带的短脉冲。
3.【原理3】自发放射：自发放射是一个自然现象，它是由于原子或分子在受到外界激发后发射出光。
通过利用自发放射现象，可以产生非常短的脉冲。
超短脉冲技术在激光领域的应用超短脉冲技术在激光领域有广泛的应用。
以下是几个主要的应用领域：•材料加工：超短脉冲激光在材料加工中具有优越性能。
由于脉冲时间非常短，光的能量集中在一个非常小的空间范围内，可以实现精确的加工。
超短脉冲激光已经在微细加工、孔加工、锡焊接等领域得到广泛应用。
•光谱学研究：超短脉冲激光可以产生宽频谱的光，适用于光谱学研究。
通过测量光的频谱，可以获得物质的吸收、发射等信息。
超短脉冲激光在分子光谱学、固态物理等领域的研究中发挥着重要作用。
•生物医学影像：超短脉冲激光可用于生物医学影像的研究。
超短脉冲激光的短脉冲宽度和高峰值功率可以提供高分辨率的成像。
它被广泛应用于皮肤病学、眼科学和神经科学等领域。
超短脉冲技术在通信领域的应用超短脉冲技术在通信领域也具有重要的应用价值。
以下是几个主要的应用领域：•光纤通信：超短脉冲技术可以实现光纤通信中的高速数据传输。
由于脉冲时间短，可以将信号传输速率提高到数十Gbps甚至更高。
超短脉冲光纤通信已经成为现代通信系统的重要组成部分。
超短脉冲激光技术
超短脉冲激光技术超短脉冲激光技术（Ultrafast Laser Technology）是一种目前最具有前瞻性的新型激光技术，它主要应用于精密加工、光学通信、生物医学、能源科学等各个领域。
相较于传统的激光技术，超短脉冲激光技术具有更高的功率密度、更快的时间分辨率和更高的频率程度。
超短脉冲激光技术的产生主要是通过提供高峰值功率并将其压缩至几十或几百飞秒的时间尺度。
这种激光可以产生高达1激光焦耳（J）的脉冲能量和约500万瓦特（MW）的功率密度，之后只有十几个飞行透镜分离。
这种激光通常会产生光谱波长在750纳米至1550纳米之间的光脉冲。
由于超短脉冲激光技术的独特性质，它的应用领域十分广泛。
在材料科学方面，超短脉冲激光可以用于加工某些高强度和高温度材料。
例如，使用这种激光可以制造出更坚硬、更耐磨的表面，并可以制造出具有微米和亚微米级别的结构的高精度零部件。
另外，在化学研究领域中，超短脉冲激光技术可以帮助实现一些反应的速率控制和选择性，从而有助于新材料的开发和绿色化合物的制备。
超短脉冲激光技术在生物医学领域中的应用也十分广泛。
例如，在眼科行业中，使用这种激光可以进行准确的激光手术，帮助人们恢复视力。
而在生物科学方面，超短脉冲激光可以用于快速扫描对细胞内部分子进行成像，并帮助生物学家研究生物体如何发挥其生理作用。
总的来说，超短脉冲激光技术的发展，为我们的日常生活、工业生产、科学研究等各个领域都带来了巨大的贡献和影响。
在未来，超短脉冲激光技术的应用将更加广泛，同时也将为世界带来更多的科学和技术突破。
超短脉冲激光技术在精密加工领域应用超短脉冲激光技术在精密加工领域中的应用最为广泛和成熟。
精密加工的主要应用领域包括半导体、微电子、微机械、微流控芯片、纳米加工等领域。
超短脉冲激光技术在这些领域中的应用，主要表现在以下几个方面：1. 纳米级加工超短脉冲激光技术能够实现纳米级加工，尤其在光刻领域被广泛应用。
传统的光刻工艺主要通过紫外线光束照射在光刻胶上，进行光刻图形的制作。
超短脉冲激光微细加工介绍讲解
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生物医学工程
超短脉冲激光可以用于生物医学工程领域，如对 生物组织的无损检测和加工等。
光学器件制造
超短脉冲激光可以用于制造各种光学器件，如透 镜、棱镜、光栅等。
精密机械加工
超短脉冲激光可以用于精密机械加工领域，如对 金属材料的精细切割和打孔等。
03
超短脉冲激光微细加工原理
微细加工简介
微细加工是指利用微细加工技术将材料加工成微小尺寸的过程， 广泛应用于电子、光学、机械等领域。
80%
提高生产效率
超短脉冲激光微细加工技术具有 高精度、高效率的优点，能够大 幅提高生产效率和产品质量。
02
超短脉冲激光技术基础
激光原理简介
激光原理
激光是受激发射放大而产生的 光，具有高亮度、高方向性、 高单色性和高相干性等特点。
激光产生
通过特定介质受到激发，产生 光放大，再通过谐振腔的选频 作用获得特定波长的激光输出 。
竞争激烈，需要不断提高技术水平和产品质量。
通过技术创新和市场拓展，在竞争中占据有利地位，满足客户 对高品质、高效率加工的需求。
未来发展趋势与展望
发展趋势
超短脉冲激光微细加工技术将不断向高精度、高效率、智能化方 向发展。
展望
未来超短脉冲激光微细加工技术将在微纳制造、生物医疗、光学 器件等领域发挥更加重要的作用，为科技进步和社会发展做出更 大的贡献。
06
超短脉冲激光微细加工的挑战与前景
技术挑战与解决方案
技术挑战
超短脉冲激光微细加工技术面临着加工精度、稳定性、效率等方面的 挑战。
解决方案
采用先进的激光器、精密的控制系统和优化的加工工艺，提高加工精 度和稳定性，同时探索更高效的加工方法。
66超短脉冲激光微细加工介绍讲解
4. 作业思考题
1）与常规激光加工相比飞秒激光微细加工的主要特点是什么？ 2）说明飞秒激光微细加工和准分子激光微细加工的主要区别？
加工对象依据波长对材料有选择性，使得加工材料与范围受 限；另外，准分子激光可被透明材料表面吸收，故只能进行 表面微细加工。而飞秒激光不仅能进行表面微细加工，还可 对透明材料内部进行加工，且加工尺寸更பைடு நூலகம்，精度更高。
3. 小结
本次课介绍了超短脉冲激光（特别是飞秒脉冲激光）因 具有的超短和超强特性，使得其在材料微细加工领域与常规 激光相比具有的特点和独特的优势。
超短脉冲激光微细加工介绍
课程名称：激光加工技术 主讲教师：王文权 单位：浙江工贸职业技术学院
1. 教学目标
了解超短脉冲激光微细加工的特点和应用。
2. 超短脉冲激光微细加工介绍
2.1 超短脉冲激光加工的概念
超短脉冲激光微细加工指的是利用脉冲宽度在皮秒至飞秒 量级的脉冲激光对材料的显微加工、精密裁切或微观改性。从 材料性能变化来说，可分为表面形貌、折射率、离子价态、相 态、缺陷态、晶态、化学键以及能带结构等的修饰与调控。
图1. 五轴联动皮秒激光加工系统
图2. 飞秒激光加工系统 （西安交大电信学院信息光子实验室）
2.2 超短脉冲激光加工应用领域
太阳能 电池
液晶显示 基板
超短脉冲 激光应用
医疗机械
印刷电路
微光机电 系统
LED
图3. 超短脉冲激光应用的主要领域
不同应用领域的案例：
(1)太阳能电池领域：如钻孔、刻线、划槽以及表面纹理化； （2）液晶显示基板：如计算机、手机显示模块中超薄玻璃基板 的划线分割； （3）微机电系统：如发动机喷油嘴的微细加工； （4）医疗领域：飞秒激光视力矫正系统、定点精确的人体局部 组织处理； （5）集成电路领域：芯片的光刻、掺杂等微细处理； （6）特种物质加工：高爆材料如退役火箭、炮弹等的切割拆除。
浅谈超短脉冲激光加工
浅谈超短脉冲激光加工摘要：超短脉冲激光加工技术具有加工精度高、热效应小、加工材料对象范围广、工艺简单且绿色环保等优点，这些特性是传统的激光加工技术所不具备的。
简述了超短脉冲激光时间单位，回顾了超短脉冲激光发展历程，简单总结了超短脉冲激光加工作用于金属过程的原理、特点。
关键词：飞秒激光、超短脉冲激光、激光加工激光加工在很多技术领域已经代替传统加工方法获得了广泛应用，宏加工方面包含高功率切割、焊接、清洗等；微加工方面包括钻孔、划线、切割、雕刻等。
激光加工属于无接触式加工，具有后续工艺少、可控性好、易于集成、加工效率高、材料损耗小以及环境污染低等显著优势，已广泛应用于汽车、电子、电器、航空航天、冶金、机械制造等行业，对提高产品质量、生产率、自动化程度以及减少材料消耗等方面发挥愈来愈重要的作用，是一种绿色制造和先进制造技术应用。
近年来，超短脉冲激光加工技术特别是飞秒激光加工取得突飞猛进的发展，充满了机遇和挑战。
一、超短脉冲激光的时间单位激光脉冲是以脉冲工作方式的激光器发出的一个光脉冲，经常能听到的纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光、超快激光、超短脉冲激光等名词，根据时间单位的换算，如图1所示，可以知道飞秒激光是一种脉冲时间极其超短的激光，而超短脉冲激光或者超快激光一般是指脉冲时间极短的皮秒激光和飞秒激光。
图1 时间单位的换算二、超短脉冲激光的发展里程1960年，第一台红宝石激光器问世。
1961年，利用调Q技术在红宝石激光器上首次实现了脉冲宽度为几十纳秒的短激光脉冲输出，激光脉冲的脉宽甚至被缩短到10纳秒。
由于受到激光器腔长的限制，调Q技术所能得到的脉冲宽度只能达到纳秒级。
所谓调Q就是指调节激光器的Q值的技术。
在激光器泵浦的初期，把谐振腔的Q值调得很低，使激光器暂时不满足振荡条件，在泵浦脉冲的激励下获得很高的粒子数密度时，再迅速调大谐振腔的Q值，此时反转粒子数密度远大于阈值反转粒子数密度，激光振荡迅速建立并达到很高的峰值功率，同时反转粒子数迅速被耗尽，脉冲很快结束，这样就获得了具有窄脉冲宽度和大峰值功率的激光脉冲。
6.3激光微细加工的特点(精)
４）可用于多种材料，对象范围广；
纳秒脉冲 飞秒脉冲 纳秒脉冲 飞秒脉冲
图５
不同脉冲激光切割高爆物质
图６ 不同脉冲激光对高熔点金属铼打孔加工
５）具备普通激光加工的其它优点：
如可与机械手等自动化设备配合，生产效率高；光纤传输，柔性 好且加工灵活；加工过程不受电磁场影响，特别是能对透明封闭
介质内材料进行加工。
激光微细加工与常规尺寸加工区别
1）加工精度表示方法不同 常规加工：相对精度 微细加工：绝对精度 2）加工机理有区别 适用微动力学、微热力学、微流体力学等微观机理 3）加工特征不同 常规加工：尺寸、形状或位置描述 微细加工：常常以分离或结合原子、分子为特征
3. 小结
本次课介绍了激光微细加工的特点和优势，并比较了
激光微细加工和激光常规加工的不同。
4. 作业思考题
1）与常规激光加工相比，激光微细加工的主要特点是什么？
2 ）用来描述常规激光加工和微细激光加工的基本理论是否相 同，为什么？
激光微细加工的特点
课程名称：激光加工技术 主讲教师：王文权 单位：浙江工贸职业技术学院
1. 教学目标
了解激光微细加工技术的特点和分类。
2.激光微细加工的特点
1）使用的激光功率低（mW-W级）；
图1
微细加工使用的飞秒激光器
图2
安徽光机所提供的准分子激光器
2）对材料的热损伤低、高质量、高精度；
图3
准分子激光近视矫正手术
3）非接触加工，没有机械力，适合微小零部件；
图ห้องสมุดไป่ตู้ 激光微细加工的案例 （1）在直径10mm、 0.2mm厚的不锈钢薄板上切出150个齿形
注：激光功率25Ｗ，脉冲频率２０００Ｈｚ，脉宽０．３ｍｓ，切割 速度１２０ｍｍ／ｍｉｎ．，辅助气体压力０．２ＭＰａ （2）在头发丝上加工的方孔
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（ 6 ）特种物质加工：高爆材料如退役火箭、炮弹等的切割拆除。
2.3 超短脉冲激光与常规激光加工的区别
（1）加工尺寸更小，可突破光束衍射极限；
（2）实现高精度的非热熔型加工； （3）能克服等离子体屏蔽作用和掺杂、缺陷对激光吸收影响； （4）加工过程只与被加工材料原子特征有关，不受特性影响。
2.4 超短脉冲激光与准分子激光加工的区别
本次课介绍了超短脉冲激光（特别是飞秒脉冲激光）因
具有的超短和超强特性，使得其在材料微细加工领域与常规 激光相比具有的特点和独特的优势。
4. 作业思考题
1）与常规激光加工相比飞秒激光微细加工的主要特点是什么？
2）说明飞秒激光微细加工和准分子激光微细加工的主要区别？
飞秒激光与准分子激光微细加工的不同：
准分子激光与飞秒激光都可进行微细加工，但准分子对 加工对象依据波长对材料有选择性，使得加工材料与范围受 限；另外，准分子激光可被透明材料表面吸收，故只能进行 表面微细加工。而飞秒激光不仅能进行表面微细加工，还可
对透明材料内部进行加工，且加工尺寸更小，精度更高。
3. 小结
LED
印刷电路
图3. 超短脉冲激光应用的主要领域
不同应用领域的案例：
(1)太阳能电池领域：如钻孔、刻线、划槽以及表面纹理化；
（ 2 ）液晶显示基板：如计算机机电系统：如发动机喷油嘴的微细加工； （ 4 ）医疗领域：飞秒激光视力矫正系统、定点精确的人体局部 组织处理； （5）集成电路领域：芯片的光刻、掺杂等微细处理；
超短脉冲激光微细加工介绍
课程名称：激光加工技术 主讲教师：王文权 单位：浙江工贸职业技术学院
1. 教学目标
了解超短脉冲激光微细加工的特点和应用。
2. 超短脉冲激光微细加工介绍 2.1 超短脉冲激光加工的概念
超短脉冲激光微细加工指的是利用脉冲宽度在皮秒至飞秒 量级的脉冲激光对材料的显微加工、精密裁切或微观改性。从
材料性能变化来说，可分为表面形貌、折射率、离子价态、相
态、缺陷态、晶态、化学键以及能带结构等的修饰与调控。
图1. 五轴联动皮秒激光加工系统
图2. 飞秒激光加工系统 （西安交大电信学院信息光子实验室）
2.2 超短脉冲激光加工应用领域
液晶显示 基板
太阳能 电池 微光机电 系统
超短脉冲 激光应用
医疗机械