飞秒激光加工技术ppt课件

18
同时飞秒量级脉冲有着非常高的瞬时功率,产生的光 电场强度比原子内部库仑场高数倍,材料内部原有的 束缚力已不足以遏止高密度离子、电子的迅速膨胀, 最终使作用区域内的材料以等离子体向外喷发的形 式得到去除,实现了激光对材料的非热熔性加工.
19
2、加工特点 1）可加工材料广泛 当脉冲持续时间足够短、峰值足够高时,飞秒激光可
15
（3）飞秒激光器 飞秒激光器目前主要存在四大类别：
其一是由有机染料为介质的飞秒染料激光器。 不同染料可以输出不同波长的飞秒激光脉冲，它覆盖了从紫外到近红
外波段，但最有效的还是集中在红光波段。随着固体、半导体、光纤 飞秒激光器的崛起，飞秒染料激光器在红外和紫外波段已经失去了竞 争能力，但在可见波段，特别是在红光区域仍被广泛的应用在时间分 辨光谱，半导体载流子快速弛豫过程和化学反应动力学过程的研究中。 其二是以掺钛蓝宝石，Li：SAF，掺镁橄榄石等固体材料为介质的飞秒 固体激光器。 由于这种固体材料具有比染料更宽的调谐范围，更大的饱和增益通量 和更长的激光上能级寿命，使其在飞秒激光运转的许多特性都优于染 料激光器，加之固体材料具有更稳定的光学性质和更紧凑的结构，使 得飞秒固体激光器在很短的时间里发展成为飞秒激光技术的主体。
飞秒激光加工技术
机研133张国召
1
主要内容
1、什么是飞秒激光 2、如何产生飞秒激光 3、飞秒激光加工机理 4、飞秒加工的应用
2
一、什么是飞秒激光
1、激光 组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分
布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光 子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上， 这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，这就 叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
9
二、如何产生飞秒激光
1、普通激光的产生
1960年，由Maiman实现第一台激光器：红宝石激光器。
红宝石激光器结构原理图 10
2、飞秒激光脉冲产生原理
（1）飞秒脉冲激光技术 普通激光器产生的是连续的激光，要压缩成脉冲的形式
飞秒激Байду номын сангаас器在此基础上还需要锁模元件、色散补偿元件
1）调Q技术 调节谐振腔的品质因数Q，使受激辐射迅速地形成和增强， 从而输出强大的激光脉冲。
17
三、飞秒激光加工机理
1、加工机理 飞秒激光脉冲和材料作用过程中,材料中的电子通过
对入射激光的多光子非线性吸收方式获得受激能量, 获得的能量仅在几个纳米厚度的吸收层上迅速聚积, 作用区域内的温度瞬间急剧上升,并远远超过材料的 熔化和汽化温度值,使物质发生高度电离,最终处于前 所未有的高温、高压和高密度的等离子体状态; 由于受辐射持续时间只有飞秒量级(10-15s),远小于材 料中受激电子通过转移、转化等形式的能量释放时 间,因而从根本上避免了热扩散的存在和影响;
16
其三是以多量子阱材料为代表的飞秒半导体激光器。 超短脉冲半导体激光器的研究在很长时间里始终没有跨越皮秒
级，直到将多量子阱材料引入到短脉冲半导体激光器中，才使 超短脉冲半导体激光器成为飞秒激光家庭中的重要成员。飞秒 半导体激光器主要应用于高比特多路通信，超长距孤子光纤通 信等领域。
其四是以掺杂稀土元素的SiO2为增益介质的飞秒光纤激光器。 其主要特点是结构紧凑，小巧，高效率，低损耗，负色散和全 光学，其波长适用于光通信，特别适用于孤子传输的研究。
13
然后再由色散补偿进一步产生更短的脉冲。色散补偿与 自相位调制和克尔透镜相结合，使各种锁模机制之间达 到最佳平衡，最终才能输出稳定的飞秒激光脉冲。
KLM锁模原理图
14
克尔透镜锁模是由于增益介质 非线性克尔效应引起光束的自 聚焦，使高强度光束更有效地 通过腔内的孔，即对高脉冲强 度产生低损耗，低强度的光束 产生高的损耗。这种有效的类 饱和吸收行为是通过克尔介质 的自聚焦效应和孔共同作用产 生的。由于与光强度有关的折 射率变化，克尔效应产生了依 赖于光强的透镜，该透镜对脉 冲强的部分有更强的聚焦，使 其几乎无损耗地通过孔。
7
4、飞秒激光特点
1)、飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的瞬间功率 可达百万亿瓦，比目前全世界的发电总功率还要多 出上百倍;
2)、物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现 象，气态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都 会变成等离子体;
8
3)、飞秒激光具有 精确的靶向聚焦定 位特点，能够聚焦 到比头发的直径还 要小的多的超细微 空间区域;
2）锁模技术 锁模就是将需要的那种组合模式选出来让它振荡，即增
益相同时，让它的损耗最小。
11
3）色散补偿 从腔内输出的飞秒光
脉冲越短，脉冲光谱带越 宽；影响进一步压缩；为 使激光器产生更短的光脉 冲，必须在腔内插入补偿 元件。
(2)产生原理 以KLM锁模掺钛蓝宝石激
光器为例
12
KLM锁模掺钛蓝宝石激光器实物图
大约相当于8飞秒。
5
3、飞秒激光 飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间
非常短，只有几个飞秒。 我们知道光一秒钟可穿越30万千米，但它在100飞秒
的时间内，只能通过人的头发直径那么短的距离。 所以飞秒激光的脉冲也非常短，目前已经达到了4fs 以内（可见光-近红外波段）。
6
连续激光
脉冲激光
掺钛蓝宝石飞秒激光器在足够 高的泵浦强度下工作，腔内激 光在钛宝石晶体中的功率密度 约达到1.0MW/cm2时，由于高强 度光场与介质的相互作用，导 致光束自聚焦，产生光克尔透 镜效应。由于光克尔透镜和光 阑（狭缝）构成的幅度调制器 的作用，使脉冲前沿和后沿的 损耗大于中部峰值损耗，从而 使脉冲压缩。这种脉冲光在腔 内循环被放大与压缩，并通过 增益竞争就可以输出稳定的飞 秒光脉冲。使各种锁模机制之 间达到最佳平衡，最终才能输 出稳定的飞秒激光脉冲。
3
这是我们我们生活中 常见的激光器。 属于半导体激光器。
4
2、飞秒 飞秒是一个时间单位。一飞秒就是10的负15次方秒。
也就是1/1000万亿秒。 我们知道宇宙年龄有多大？ 答案： 140多亿年。 一小时相对宇宙年龄有多短？ 答案：8×10-15 也就是说如果把宇宙的年龄比作一秒，那么一小时