第6章 超快超强激光加工
超快激光加工技术在微纳制造领域中的应用
超快激光加工技术在微纳制造领域中的应用近年来，随着科技的不断发展和创新，微纳制造技术越来越成熟，在诸多领域发挥着重要的作用。
其中，超快激光加工技术作为微纳制造的一种重要手段，在加工和制造某些微纳结构方面表现出了强大的优势。
本文将围绕超快激光加工技术在微纳制造领域中的应用进行阐述。
一、超快激光加工技术的原理及优势超快激光加工技术是指采用超快激光脉冲对材料进行加工的一种技术。
其原理是利用超快激光脉冲的高能量密度和极短的作用时间，将材料表面局部区域加热至高温、高压状态，从而使材料蒸发、熔化、脱落或产生化学反应。
与传统加工技术相比，超快激光加工技术具有以下优势：（1）高精度：超快激光加工技术可实现微米以下的高精度加工，尤其在微纳制造领域中的应用更为广泛。
（2）高效性：由于激光脉冲时间短且功率密度高，超快激光加工技术处理速度快，避免了传统加工技术加工速度慢的缺陷。
（3）针对性强：超快激光加工技术可以通过控制激光脉冲宽度、能量、作用时间等参数，使加工效果更具针对性，适用于不同的材料与加工要求。
二、超快激光加工技术在微纳制造中的应用随着微纳技术的不断发展，超快激光加工技术的应用范围也越来越广泛。
具体来说，其在微纳制造中的应用主要包括以下几个方面：（1）微型器件加工：超快激光加工技术可以实现微米甚至纳米级别的器件加工，如微电子元器件、MEMS器件、生物芯片等。
（2）微区表面改性：利用超快激光加工技术的高精度和高效性，可在微米尺度内对材料的表面进行形貌、结构、化学成分等方面的改性，实现定向改性和微区区域选择性改性。
（3）微小结构制备：超快激光加工技术可以制备各种微小结构，如针尖、纳米线、超薄膜等，这些微小结构具有重要的物理、化学和生物学特性，可以应用于传感器、微机电系统、药物输送等领域。
（4）微纳加热：超快激光加工技术的高能量密度和短时间作用特性，使其成为微纳加热的理想手段。
利用该技术可以实现微米尺度内的局部加热，用于微纳压力感应、光学器件等领域。
超快激光 CKJG-120W-05 激光洗模机 使用手册说明书
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超快激光微纳加工：原理、技术与应用
在书中，我还了解到超快激光微纳加工技术的发展现状。随着技术的进步， 超快激光的脉冲宽度已经达到了飞秒级别，甚至阿秒级别，这使得我们能够在更 短的时间内对材料进行精细加工。同时，随着双光子聚合技术、飞秒激光直写技 术等的发展，我们能够实现更复杂的三维结构加工。透明介电材料内部的三维光 子学集成、飞秒激光直写制备微流控芯片和集成光流器件等新技术的发展，也为 超快激光微纳加工技术的应用开拓了新的领域。
目录分析
随着科技的不断发展，超快激光微纳加工技术逐渐成为一种重要的加工方法， 在基础科学与现代工业中获得了广泛应用。本书《超快激光微纳加工：原理、技 术与应用》对超快激光微纳加工的背景与原理、超快激光的特性与技术发展现状、 超快激光脉冲时空整形、超快激光对材料的表面处理、基于双光子聚合的飞秒激 光三维直写、透明介电材料内部的三维光子学集成、飞秒
在介绍超快激光微纳加工的原理时，书中写道：“超快激光脉冲的宽度小于 100fs，其能量被高度集中，可以在极短的时间内将能量传递给物质，产生高温、 高压、高密度的等离子体，从而实现微纳结构的加工。”这段描述将超快激光的 特性与微纳加工的需求完美结合，解释了为什么超快激光能成为微纳加工的理想 工具。
书中还详细介绍了超快激光微纳加工的技术，包括“利用高精度三维光束整 形技术，将激光束的形状和大小进行调控，以适应不同的加工需求；利用飞秒激 光双光子聚合技术，实现高精度、高分辨率的微纳加工；利用飞秒激光诱导击穿 阈值效应，实现纳米级精度的金属打标和刻蚀。”这些技术的描述展示了超快激 光微纳加工的广泛应用和巨大潜力。
本书对超快激光的特性与技术发展现状进行了详细阐述。超快激光具有脉冲 时间短、峰值功率高、空间尺度小等特点，使得它在材料加工领域具有广泛的应 用前景。随着技术的不断发展，超快激光的脉冲时间已经可以达到飞秒级别，峰 值功率也越来越高，这为超快激光微纳加工技术的发展提供了有力保障。
超快超强激光及其科学应用发展趋势研究
1、光子学领域：超快激光技术将有望实现更短波长、更高频率的光子学器件， 从而为光通信、光学信息处理等领域带来更快的速度和更高的效率。此外，超 快激光技术还可以用于研究光子晶体、量子阱等复杂光子结构的性质和功能， 为光子学技术的发展提供重要的科学支撑。
2、生物学领域：超快激光技术将有望在生物学领域中得到更广泛的应用，例 如用于研究生物分子的动态过程、蛋白质的结构和功能，以及进行细胞操作和 基因编辑等。此外，超快激光技术还可以应用于肿瘤治疗、再生医学等领域， 为疾病的诊断和治疗提供新的手段。
三、超快激光微孔加工工艺应用 场景
超快激光微孔加工工艺被广泛应用于各种领域。在电子领域，超快激光微孔加 工技术被用于制造高精度电子器件和微型电路。在生物医学领域，超快激光微 孔加工技术被用于制造生物组织结构和医疗器械。在光学领域，超快激光微孔 加工技术被用于制造微型光学器件和光学通信器件。此外，超快激光微孔加工 工艺还被应用于制造航空航天部件、汽车零部件等领域。
高能激光束的传输与控制技术则实现了对激光束的精确调控，为激光加工和激 光物理实验提供了良好的条件。激光与物质的相互作用研究则探索了激光对物 质的作用机制和应用，为激光加工、激光物理和材料科学等领域提供了重要支 持。
超强激光技术应用实例包括：高功率激光器在激光武器、激光加工、激光雷达 等领域的应用；高能激光束的传输与控制在激光通信、激光光谱学、基础科学 研究等领域的应用；激光与物质的相互作用在激光材料处理、激光医疗、激光 武器等领域的应用。这些应用实例不仅推动了科学技术的发展，也为实际生产 提供了重要的技术支持。
四、未来发展趋势
未来，超快激光微孔加工工艺将继续得到发展和应用。随着科技的进步，超快 激光器的性能将不断提高，为超快激光微孔加工工艺提供更强的动力。随着和 机器学习等技术的发展，自动化和智能化将成为超快激光微孔加工工艺的重要 发展方向。未来，我们期待着超快激光微孔加工工艺在更多领域得到应用，为 人类社会的发展做出更大的贡献。
第6章 快速成型制造的几种典型工艺及后处理
4) 可使用的材料种类较少。
5) 液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止其提前 发生聚合反应，选择时有局限性。 6) 需要二次固化。
6.1.2 光固化成型的特点
图6-2 SLA制作的原型
6.1.3 光固化成型的后处理
1) 当原型在激光成型系统中生成后，工作台升出液面，停留5～1
0min，以晾干多余的树脂。 2) 用工业酒精和丙酮对树脂原型表面和型腔内部进行清洗，尤其 需要将内部未排干的树脂清洗干净。 3) 从工作台上取出原型，去除原型表面的支撑。 4) 由于原型中尚有部分未完全固化的树脂，清洗过的原型必须放 在后固化装置的转盘上进行完全固化，以满足所要求的机械性能。
图6-14 STL导入快速成型软件
2.将STL文件数据处理软件
图6-15 叶轮的成型方向和布局
2.将STL文件数据处理软件
图6-16 分层参数的设置界面
3.将分层数据文件输入快速成型设备
4.后处理
图6-17 叶轮整体的FDM原型
6.7.2 基于3DP的成型实例
1.三维打印机的准备 2.三维打印前的准备
6.5 三维打印(3DP)
图6-11 三维喷涂粘结(3DP)制作的原型
三维打印
(Three Dimensional Printing ，简称3DP)：
三维打印原理类似于喷墨打印机原理，首先铺粉，利用喷嘴按 指定路径将液态粘结剂喷在粉层上的特定区域，粘结后去除多 余的材料便得到所需的原型或零件。也可以直接逐层喷涂陶瓷 或其他材料粉浆，硬化后即得到所需的原型或零件。
6.6 几种典型成型方法的分析比较
表6-1 几种典型成型方法比较
6.7 成型实例
6.7.1 基于FDM的成型实例
超快激光加工原理
超快激光加工原理1超快激光加工技术的概述超快激光加工是一种新兴的、被广泛应用于生产加工和研究领域的激光微加工技术，专为解决传统激光加工无法达到的较高效率、较高精度和较高质量需求而开发出来的一种激光加工技术。
其特点是针对特定材料、形状以及加工目的，使用激光发射机器将高能激光束小区域聚焦，从而在短时间内完成高效率和高质量的激光加工。
此外，该加工技术具有灵活性高、表面质量好、加工精度高的优点，能够满足各类物料的加工要求，重点应用在电子、三维加工、晶圆制造、航空航天、软件机械制造及其它与精密加工有关的领域。
超快激光加工技术的出现大大改善了工程制造精度，以及提高加工质量和效率。
2超快激光加工原理超快激光加工技术是将特定量子能量高能激光束瞬间聚焦到材料表面，使其聚集成激光熔沸点，产生一种特殊的激光原子能量，从而实现物体的加工。
其操作原理主要分为两个阶段，即激光能量的聚焦阶段和加工阶段。
激光能量聚焦阶段是指将激光束通过三轴机器来实现位移和控制，使特定量子能量逐次聚焦到特定材料表面；加工阶段指根据加工目的，控制聚焦之后激光熔沸点的温度，大小和持续时间，从而使物料表面融化、熔溶，实现特定形状和表面处理要求。
3超快激光加工的效果超快激光加工是一种低电压、高效率的加工技术，可以实现高精度、高速率、高准确度的特殊加工应用要求，大大提高了现有的激光加工方法的工作效率，实现了高精度的加工要求。
超快激光加工技术的应用可以带来实际的操作优势，如减少加工抛光程序、不需要事先准备背压情况等。
此外，使用超快激光加工技术可以生产出非常小尺寸的细节处理，精度可以达到亚微米级，同时可以实现大量的应用场景，包括纳米面定位加工、圆柱和球形组件等。
4超快激光加工的发展前景超快激光加工技术是近年来新兴的激光加工技术，它在许多行业的应用中发挥着重要作用，目前得到了广泛的应用，还有潜力发展更多的应用领域。
比如，在未来，超快激光加工也有望被用于可穿戴设备以及智能家居等领域，可以在极短时间内实现复杂曲线加工和精确细节处理，有助于产品更新迭代和优化，为制造业提供更为先进的解决方案。
超快激光加工技术在微纳制造中的应用
超快激光加工技术在微纳制造中的应用第一章：超快激光加工技术概述超快激光加工技术，是指在极短时间内(通常为飞秒及皮秒级别)利用激光将物质切割、打孔、雕刻、焊接和表面提纯等加工技术。
超快激光加工技术以其高精度、高效率、非接触、无热影响、无化学残留等优点，逐渐成为微纳加工中的主流技术。
第二章：超快激光加工技术在微纳制造中的应用超快激光加工技术广泛应用于微纳制造领域，包括微机电系统(微机电机械系统，MEMS)、光子学、表面处理等领域。
2.1 微机电系统微机电系统(MEMS)是一种将微米级别的机械结构、传感器、电子以及控制等系统集成到一起的技术，是微纳加工领域的一项重要技术。
超快激光加工技术可用于 MEMS 加工中的多种工艺：1. 切割与划线:超快激光可以切割、划线 Si、SiO2、石英玻璃等材料。
这些材料广泛用于 MEMS 的制造中。
2. 表面微处理:通过控制激光脉冲的能量密度，可对表面进行微观处理，如刻蚀、皱纹、自组装等。
3. 电极制造：超快激光加工技术可以用于加工导电材料，如金属电极、导电线等。
2.2 光子学光子学是指利用激光、光电子器件、光学波导等技术，研究光在物质中的作用及其应用，已成为微纳加工领域中最重要的方向之一。
超快激光加工技术在光子学中的应用：1. 光子芯片：超快激光加工技术可用于在微型芯片中加工光学元件(如闪烁计数器)。
2. 光传感器:利用超快激光生成的光可以用于制造光传感器，如应变传感器、温度传感器等。
3. 二光子聚合:利用超快激光加工技术，可实现单体分别轨迹，生长复杂的3D复合结构。
2.3 表面处理超快激光加工技术在表面处理上也有广泛的应用。
它可以通过控制激光脉冲的大小、能量密度等参数，对材料的表面进行精细加工。
其应用包括：1. 表面改性:利用超快激光进行表面处理，可以在材料表面形成微纳米级别结构，达到表面改性的效果。
2. 表面清洗:与传统表面清洗方法不同，超快激光清洗可以去除更深层的污染物。
超快激光加工材料的原理
超快激光加工材料的原理今天来聊聊超快激光加工材料的原理。
你知道吗？咱们平常看那些特别精致的金属工艺品，上面有些超级精细的花纹或者微小的孔洞，你可能会疑惑这些是怎么做出来的呢？这就和超快激光加工材料的原理有关啦。
我刚开始接触这个的时候，也是一头雾水。
我就想啊，激光加工嘛，不就是用激光照一照，把材料融化或者气化不就得了。
但是后来发现没那么简单。
打个比方，超快激光就像是一个超级精准又超级敏捷的小工匠。
普通激光可能就像是一个挥舞着大锤子的工人，一锤子下去能砸掉一大块儿材料；而超快激光呢，就像是用一根非常非常细小的针，每次只对极微小的区域进行操作。
从原理上来说，超快激光脉冲极短，能在短时间内把能量聚焦到材料的微小区域。
这就好比我们用放大镜把太阳光聚焦到一张纸上的一个小点上，能量集中起来就能让那个点迅速升温，对吧？超快激光也是这个道理，只不过它的能量集中起来作用在材料表面或者内部的极小范围。
这时候材料的原子或者分子就像一群受到惊吓的小蚂蚁，一下子慌了神，它们的化学键被破坏，从而导致材料被去除、融化或者改变内部结构。
有意思的是，这个过程发生得极快，快到那些相邻的区域还没反应过来呢，这个小区域就已经加工完成了。
就好像有诸多城市，你把其中一个城市瞬间重建了，周围的城市还没察觉到任何变化一样。
这样就能够实现高精度的加工，对设计那些精细的结构非常有帮助。
比如说加工一些电子元件上的微小线路，超快激光就能派上大用场。
因为普通加工方法很难做到这么精细。
说到这里，你可能会问，这么强的激光对人有没有危害呢？答案是肯定的。
所以在实际利用超快激光加工材料的时候，防护措施做得特别严格，就如同我们对待危险的化学品一样小心谨慎。
我在学习这个原理的过程中还有一个困惑就是，超快激光的能量那么高，有没有可能会在加工过程中导致一些我们预期之外的二次反应呢？后来通过查阅资料才明白，确实存在这种可能。
所以在设置加工参数的时候要充分考虑材料的特性等因素。
超快激光微纳加工：原理、技术与应用(程亚等)PPT模板全文
光刻
和焦面强度倾斜
第3章超快激光 脉冲时空整形
3.4光束整形加工应用 举例
3.4.1无 衍射光束
加工
3.4.2脉 冲偏振整
形加工
3.4.3飞 秒激光超 分辨加工
0
7
第4章超快激光对材料的表面处理
材第
料 的 表 面 处 理
章 超 快 激 光 对
4
01 4 .1 飞 秒激 光加工薄 02 4 .2 材 料表 面的钻孔
6.3光子器件的制备
6.4高品质光学微腔
参考文献
第6章透明介电 材料内部的三维 光子学集成
6.2透明材料内部中三维光波 导的制备
6.2.2波导的 制作方式
1
2
3
6.2.1制作波导 的影响因素
6.2.3不同材 料
第6章透明介电材料 内部的三维光子学集 成
6.3光子器件的制备
0 1
6.3.1分束器
0 2
超快激光微纳加工：原 理、技术与应用(程亚等)
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第1章超快激光加工概述
第1章超快激光加 工概述
1.1超快激光加工介绍 1.2超快激光加工的特点 1.3超快激光材料处理 参考文献
第1章超快激 光加工概述
0 3
8.3精密切割
0 6
参考文献
第8章超快激光加工 在现代工业中的应用
8.1表面处理
8.1.1抗 摩擦损耗
结构
8.1.2浮 雕和成型
超快激光操作指南
超快激光操作指南激光技术在各个领域都有广泛的应用，而超快激光则是其中的一种高级形式。
超快激光具有短脉冲、高功率和高重复频率等特点，广泛应用于光谱学、生物医学、材料科学等领域。
本文将为大家介绍超快激光的基本原理以及操作指南。
一、超快激光的基本原理超快激光的脉冲宽度在飞秒（1 fs=10^-15秒）量级以下，这种短脉冲宽度使得超快激光在时间尺度上可以观察一些极短暂的现象，比如分子振动、电子间的转移等。
超快激光的高功率和高重复频率则可以用于加工材料、进行物质表征等应用。
超快激光产生的过程主要包括脉冲放大和脉冲压缩两个步骤。
在脉冲放大阶段，激光经过一系列的放大器进行增益，同时由于受到非线性效应的影响，脉冲宽度也会增大。
在脉冲压缩阶段，可以通过一些光学元件，如光学晶体、衍射光栅等对脉冲进行叠加和相位调控，从而将脉冲宽度压缩到飞秒量级以下。
二、超快激光的操作指南1. 准备工作：在操作超快激光之前，需要对设备进行准备工作。
首先，检查激光器的工作状态，确保其正常运行。
然后，清洁光学元件以确保光线的传输效率。
最后，确认安全设备（如激光眼镜）的状态，保证操作人员的安全。
2. 脉冲调制：超快激光的脉冲宽度可以通过调节激光脉冲的相位和幅度进行调制。
可以使用ACousto-Optic Modulator (AOM)或Electro-Optic Modulator (EOM)等器件来实现这一过程。
通过调节这些器件的工作参数，可以实现对脉冲宽度和形状的精确调控。
3. 光谱调制：除了脉冲调制外，超快激光还可以进行光谱调制。
这种调制可以通过控制脉冲的波长组成，实现对光谱的精确调节。
常见的光谱调制方法包括光学材料的选择、频率倍增和光学干涉等。
4. 激光聚焦与束扩展：超快激光的聚焦和束扩展是进行超快激光实验的重要步骤。
聚焦可以通过使用透镜或反射镜实现，而束扩展可使用透镜组、棱镜或激光束整形器实现。
在进行超快激光实验时，需要根据实验需求来调整聚焦和束扩展的参数。
超快激光的应用场景及未来发展
超快激光的应用场景及未来发展
韦小明;巨文博;陈立宇;刘涛;王文龙
【期刊名称】《广东科技》
【年(卷),期】2022(31)7
【摘要】超快激光是指脉冲宽度为皮秒(10-12s)/飞秒(10-15s)级别(甚至更窄)的
脉冲激光,它是推动基础科学实现重大突破、孕育颠覆性技术的利器,是驱动战略性
新兴产业发展的动力源泉。
面向世界科技前沿,超快超强激光能创造出前所未有的
超快时间、超高强场、超高温度和超高压力等极端物理条件,是推动等离子体物理、原子分子物理、粒子物理与核物理等学科发展的重要基础科学研究工具。
【总页数】4页(P54-57)
【作者】韦小明;巨文博;陈立宇;刘涛;王文龙
【作者单位】华南理工大学物理与光电学院;华南理工大学化学与化工学院
【正文语种】中文
【中图分类】G63
【相关文献】
1.超快超强激光及其科学应用发展趋势研究
2.超快激光促进了生物医学诊断的发展
3.激光驱动电子运动可绘制原子全息图有助于发展超快光电子能谱学
4.超强超快激光的特点与发展
5.德国大力发展超快激光
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超快激光加工原理【详解】
内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展.超快脉冲激光加工原理长脉冲激光如纳秒激光微加工，其原理是基于材料中的电子共振线性吸收获得的能量，将材料逐步熔化、蒸发移除。
由于激光脉冲持续时间较长，远大于材料热扩散的时间，电子传递给离子的能量很高，热扩散涉及比焦点更大的区域，激光聚焦点周围一个较大的体积会被熔化，使得加工区域边缘不清晰，加工精度有限。
而超快激光在极短的时间和极小的空间内与物质相互作用，作用区域内的温度在瞬间内急剧上升，并以等离子体向外喷发的形式得到去除。
严格避免了热融化的存在，大大减弱和消除了传统加工中热效应带来的诸多负面影响，超快激光微加工和材料相互作用的时间很短，使得能量以等离子体的形式被迅速带走，热量来不及在材料内部扩散，热影响区非常小，不会产生重铸层，属于冷加工，呈现锐利的加工边缘，加工精度高。
长脉冲激光（纳秒激光）和窄脉冲激光（皮秒、飞秒激光）加工效果对比以金属对激光脉冲的吸收为例，其从根本上说是能量从激光脉冲转移到金属材料的电子的一个能量转移过程。
对于持续时间为纳秒级的脉冲而言，电子与所处晶格之间会发生一个温度平衡过程，并且最终开始融化材料，直到部分蒸发。
在这个过程中，脉冲越短，能量转移到电子的速度越快。
在理想条件下，如果脉冲足够短，那么在电子与晶格之间便没有足够的时间产生温度平衡。
接下来，“热电子”（相对于冷晶格而言）与晶格的作用方式：在一个特征时间后，来自电子的热量开始向周围的晶格扩散。
这种电子-声子弛豫时间[2]是物质的一种属性，其典型值为1～10ps。
在大致相同的时间范围内，但稍有些延迟，热电子和晶格之间发生了突然的能量转移，从而导致相位爆炸，即激活体的蒸发。
第六章 激光加工
表面合金化 103～105w/cm2 ——
第四节
激光加工工的应用
表面淬火高硬度原因？ 表面淬火高硬度原因？
激光表面合金化如书上 图6-12、6-13 、
马氏体+细晶 高位错密度 马氏体 细晶+高位错密度 。 细晶
一次照射，一般 且锥度较大， 一次照射，一般H/D≈5,且锥度较大，如多 且锥度较大 次照射H/D增大也可减少锥度。 次照射 增大也可减少锥度。 增大也可减少锥度
第三节
激光加工工艺及基本规律
6、工件材料与表面质量的影响 、工件材料与表面质量的影响 表面质量 工件材料有反射、透射影响，吸收效率与特 工件材料有反射、透射影响， 定材料对特定波长、频率的激光的吸收性相关。 定材料对特定波长、频率的激光的吸收性相关。 工件材料表面特性：粗糙度、色泽？ 工件材料表面特性：粗糙度、色泽？
第六章
激光加工
激光加工
激光加工(LBM 即Lasser Beam 激光加工 Machining)
激光加工不需工具，表面变形小， 激光加工不需工具，表面变形小，可加工各 种材料。 种材料。
第一节
激光加工的原理和特点
一、激光加工的原理 激光发生原理？另参看书上图 激光发生原理？另参看书上图6原理 1 二、激光加工的特点 1、高能密度（ 108 ～ 1010w/cm2）。 、高能密度（ 2、切削力小,无工具损耗，速度快，热影响区域小。 、切削力小 无工具损耗 速度快，热影响区域小。 无工具损耗， 3、可对透明真空管内部件焊接。 、可对透明真空管内部件焊接。
第四节
一、激光打孔
超快激光技术及应用重点
超快激光技术及应用重点超快激光技术在近年来得到了广泛的研究和应用，它能够产生极短的激光脉冲，脉宽通常在飞秒级别，甚至亚飞秒级别，频率范围从几十兆赫兹到几百太赫兹。
超快激光技术可以应用于多个领域，如生命科学、物理学、光谱学、化学和材料科学等。
下面将重点介绍超快激光技术及其应用。
超快激光技术的核心是超快激光系统。
超快激光可以通过调制光的相位或振幅产生极短的激光脉冲。
其中，调制光的相位可以使用像雾化器、空间光调制器等光学元件实现，而调制光的振幅可以通过调节光的强度或增益介质的饱和度来实现。
超快激光的产生需要高度精密的技术和设备，如超快谐振腔、飞秒激光器、光栅压制器等。
超快激光技术在生命科学领域有着广泛的应用。
例如，超快激光技术可用于生物成像和探测，如飞秒激光显微镜可实现对细胞结构和功能的高分辨率成像；利用飞秒激光可以进行细胞操作和基因操控，如光遗传学技术可以通过光激发基因表达或沉默，从而控制细胞或生物体的活动；超快激光也可用于研究生物分子的动力学过程，如光解离、光诱导化学反应等。
物理学和光谱学是超快激光技术的另外两个重要应用领域。
超快激光技术对于研究光与物质之间的相互作用和能量转移过程有着重要的意义。
例如，超快激光可以用来研究光的干涉、传播和散射等现象，进而推测物质的光学性质；超快激光还可以用来研究分子结构和动力学过程，如分子振动、转动和电子激发等。
化学和材料科学也是超快激光技术的重要应用领域。
超快激光技术可以用于研究化学反应和材料性质的变化过程。
例如，通过超快激光可实现对化学反应的实时监测和控制，从而研究反应的动力学、机理和速率；利用超快激光还可以实现对材料的超快光学和电学性能的测量和控制，如超快光纤光学器件的制备和表征。
除了上述领域，超快激光技术还有许多其他的应用。
例如，超快激光技术可以用于激发和探测量子态，从而研究量子信息和量子计算；超快激光还可以用于激发和控制等离子体，以实现高能量密度物理和聚变能研究；此外，超快激光还可以用于材料加工、光子学器件制备和高精度测量等领域。
超快激光微结构加工原理和典型应用2500字
超快激光微结构加工原理和典型应用一、简介超快激光微结构加工是指利用飞秒或皮秒激光对材料进行微观结构加工的一种先进工艺。
与传统激光加工相比，超快激光具有更高的精度、更小的热影响区和更少的毁伤效应，因此在微结构加工领域具有巨大的应用潜力。
本文将对超快激光微结构加工的原理和典型应用进行探讨。
二、原理1.超快激光的产生飞秒激光和皮秒激光是超快激光加工的基础工具。
飞秒激光是指脉冲宽度在飞秒（1飞秒=10^-15秒）量级的激光，而皮秒激光则是脉冲宽度在皮秒（1皮秒=10^-12秒）量级的激光。
这两种超快激光具有极高的峰值功率和极短的脉冲宽度，可以实现对材料的高精度加工。
2.超快激光的加工原理超快激光微结构加工的原理主要包括光学非线性效应、电子动力学效应和热动力学效应。
在超快激光作用下，材料的电子和原子会发生非常快速的相互作用，形成各种微观结构，如微孔、微凹、微槽等。
通过控制激光的参数和材料的特性，可以实现对材料的精细加工。
三、典型应用1.微纳加工超快激光微结构加工在微纳加工领域具有广泛的应用。
通过精密控制激光的脉冲能量和频率，可以实现对微米甚至纳米尺度的微细结构加工，如微透镜、微透孔、微阵列等，广泛应用于光学、生物医学、电子等领域。
2.表面功能化超快激光微结构加工也可以实现对材料表面的功能化处理。
利用超快激光可以在材料表面形成微纳米结构，改变其表面特性和性能，实现超疏水、超疏油、超抗菌等功能，广泛应用于涂料、材料防污、抗菌等领域。
3.生物医学应用超快激光微结构加工在生物医学领域也有重要应用。
通过控制激光的参数和加工过程，可以实现对生物细胞、组织和生物材料的微观加工和定向修复，为生物医学领域的研究和临床治疗提供了新的手段和途径。
四、个人理解超快激光微结构加工作为一种新兴的加工技术，具有巨大的潜力和应用前景。
我个人认为，在未来的发展中，超快激光微结构加工将会在光学、生物医学、电子等领域发挥越来越重要的作用，为人类社会的进步和发展带来更多的可能性和机遇。
特种加工12第五六章激光加工与电子束离子束加工
青
x射线
050
紫外线 红外线
绿
10-7 10-6 0.57
0.60
黄
微波
0.63
橙
红
无线电波
104 0.76
电磁波波谱图
可见光波谱图
原子的发光
原子的激发、跃迁 基态时原子可长时间存在，激发
态时原子停留时间很短。 有些原子在某些能级上停留时间
较长，这些能级称为亚稳态能级 亚稳态能级的存在是形成激光的
3 激光加工的原理和特点
激光加工的原理
经过透镜聚焦后,在焦点上达到很高的能量密度， 光能转化为热能，靠光热效应来加工的。
激光加工的特点
1)聚焦后，激光的功率密度很高，光能转化为 热能，几乎可以熔化任何材料。
2）激光光斑大小可以达到微米级，输出功率可 调，可以用于精密微细加工。
3）工具是激光束，无损耗，无接触，无明显的 机械力。加工速度快、热影响区小，容易实 现自动化
2 激光的特性
激光具有光的共性（反射、折射、绕射及干涉 等等）
普通光源的发光是自发辐射，基本上是无秩序 的、相互独立地产生光发射。发出的光波的方 向、相位和偏振状态都不同。
激光是受激辐射，有组织、相互关联地产生发 射，发出的光波具有相同的频率、方向、偏振 状态和严格的相位。所以激光具有强度高、单 色性好、相干性好和方向性好。
4、离子注入： 5-500KeV离子束 垂直轰击工件，离子注 入表层，改变表层性质。
考夫曼型离子源
1—真空抽气口 2—灯丝 3—惰性气体注入口 4—电磁线圈 5—离子束流
6—工件 7—阴极 8—引出电极 9—阳极 10— 电离室
2、离子束加工应用
1）刻蚀加工； 2）镀膜加工； 3）离子注入加工。
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三模锁相的旋转矢量模型
4T 当t 时： 3
三模锁相的拍频随时间变化
锁模激光器原理－－纵模组合
设计：李波
n个, 每个巨脉冲的峰值为 nA，空间间隔为2l,记为
En(t)
分为两组求和,每个巨脉冲的 峰值为nA/2，空间间隔为l，
En/2(t)
分为四组求和,每个巨脉冲的 峰值为nA/4，空间间隔为 l/2, En/4(t)
P(t ) E (t ) nA2
2
Pmax (t ) nA n P(t )
锁模巨脉冲的峰值功率为没有 锁模时平均功率的n倍
2
锁模激光器原理－－锁模方式
主动锁模 周期性调制谐振腔损耗 振幅调制，相位调制
设计：李波
被动锁模 可饱和吸收体 几百fs，如果需要更短脉 同步泵浦锁模 冲，则脉冲压缩 周期性调制谐振腔的增益 自锁模 ( Ti-S laser ) 利用增益介质本身的非线性克尔效应锁模，不需插入任何锁模元件
2
锁相脉冲时间宽度－－锁相脉冲可能的最短脉宽
三相
n相
增益线宽越宽，可 参与振荡谱线越 多，脉宽越窄
T 1 2l t l . n n c
锁模激光器原理－－脉冲基本参量
设计：李波
n个纵模振荡的激光器，在未锁相的情况下:
E (t ) An (t ) n A
平均功率: 锁模峰值功率:
上述三个周期电场可分别用三个旋转矢量来表示，设 它们的长度都相同为A，而旋转角速度分别为：
A0、 A1、 A2
0、 0 、 0 2
求和，即拍频效应：
锁模激光器原理－－纵模组合
以一角速度 0 的动坐标来研究此问题
A0 : 不动;
设计：李波
A1 :以角速度 顺时针旋转； A2 :以角速度2旋转； 2 2l T : A1周期 c 拍的峰值
锁模激光器原理－－纵模
设计：李波
腔内允许存在的纵模虽然有无数多个，但必须落在 增益线宽内的纵模，才有可能获得增益； 只有增益足够大，满足阈值条件，才能够在腔内振荡； 增益线宽越宽，可能振荡的模式数就越多； 最大模式数不会超过：
vr Mq f
vr : 增益线宽； f：两个相邻纵模的频率 间隔
钛宝石作为增益介质开始在超短脉冲的产生中发挥了重大 作用，为飞秒激光器的固体化，实用化奠定了基础！
脉冲压缩技术
设计：李波
将脉冲进行相位非线性调制，使它变成啁啾脉冲（变调脉冲）， 其频率先高后低（蓝头红尾）； 将啁啾脉冲导入光栅对中，由于色散它分解为不同频率的光 脉冲输出后，在经反射镜反射回来，由于长波脉冲走的路程长， 短波脉冲走的路程短，故它们几乎同时返回到原处，合成为更 短的脉冲－－脉冲压缩 利用脉冲压缩技术理论上可以获得3fs 非线性调制：电光调制，最简单的时非线形材料的二阶非线性 折射率，如玻璃光纤
随着激光啁啾放大技术的快速发展，激光脉冲的峰值功率也在不断地提高！
Ti:Sapphire 飞秒激光
1991年 60fs, 845 - 950nm, 300mW ( 6W Ar+ 泵浦）
设计：李波
D,E. Spence et al, Opt. Lett. 16, P.42
1997年 20fs 光纤压缩
效果相当于快速可饱 和吸收体
如何获得超短脉冲宽度（fs量级）的激光脉冲？ 设计：李波
G (增益带宽)越宽——可以锁定更多的模式(n越大) —— t就越短
Ti:Sapphire晶体吸收和发射光谱
发射谱： 600 — 1150nm
最短脉冲宽度t = 3fs （理论上） t < 5 fs (4.5fs)(实验上） 2003年
飞秒激光
设计：李波
飞秒激光已成为科学探索的最有力的工具
科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥 重要作用。
飞秒激光微加工技术将在超高速光通讯、强场科学、 纳米科学、生物医学等领域具有广泛的应用和潜在 的市场前景。
内容提要
设计：李波
超快激光技术
超快激光与物质相互作用基础
飞秒激光应用举例
设计：李波
超快激光技术
脉冲激光技术 调Q
设计：李波
电光调Q：脉宽达到数ns数十ns； 声光调Q：脉宽达到数百ns
在激光腔内增加一个Q开关； 打开Q开关，腔呈低损态，高Q值； 关闭Q开关,腔呈高损态，低Q值； 先关闭Q开关，使得激光器不能起振，使得粒子 数反转浓度迅速增大 当打开Q开关时，粒子数反转浓度远大于高Q态的 阈值粒子数反转浓度，激光器开始起振
锁模激光器原理－－锁模方式实现
设计：李波
• 锁模技术本质是在激光腔内利用恢复时间十分快 的高速快门，这种快门可由电信号驱动（声光调 制器）或依靠材料特性，例如，可饱和吸收染料 或激光器本身的非线性特性自动形成。在钕玻璃 或Nd:YAG 激光器中，常用快恢复时间的可饱和 吸收体如五甲川，十一甲川等染料作高速快门。 这种染料吸收激光使激光器的阈值提高，但当它 吸收了足够的光子达到饱和就不再吸收激光，因 而对激光呈透明状态，激光腔的损耗因而急剧减 少，此时激光产生振荡。由于其恢复时间极短， 它很快又恢复到吸收状态，阻碍激光发射。周而 复始.
脉冲激光技术
设计：李波
锁模
腔内存在单纵模和各种模式的组合 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
锁模激光器原理－腔内波函数空间分布
设计：李波
在三维自由空间中，波的运动方程式为：
E( x, y, z, t ) E( x, y, z).E(t )
在矩形开放式的驻波腔内，只考虑波函数空间分布：
Optics Letters, 2003, 28(22): 2258~2260
飞秒激光器的结构
设计：李波
振荡器
展宽器
放大器
压缩器
飞秒短脉冲的放大——CPA
设计：李波
问题的提出
一些物理学实验研究和应用，如强场物理、激光受 控核聚变、半导体载流子的动力学过程等研究要求激光 脉冲具有极高的峰值功率，这是普通飞秒振荡级激光器 输出的脉冲所不能达到的，所以需要对振荡级输出的飞 秒脉冲进行放大 ！
4.5fs 20J
1KHz
M.Nisoli et al, Opt. Lett. 22, P.522 13fs 光纤压缩 5fs 6J 1MHz A.Baltuska et al, Opt. Lett. 22, P.102 1999年 腔内产生 4.3fs (Sech), 4.8fs (Gaussian ), < 2T (2.7fs), 200mW, 90MHz, 650-1050nm U. Morgner et al, Opt. Lett. 24, P.411 2003年 3.4fs
y
2
k x , k y : 波矢 k在x, y方向分量
分离值
每一个（n, m)对应一对（ kx , k y )
锁模激光器原理－－横模
设计：李波
由于腔边沿存在严重衍射损耗，所以不能用正弦 函数描述，而用高斯函数描述
几种低阶横模的光强分布和光斑图TEMnm
锁模激光器原理－－纵模
纵模：E ( z ) 是光场沿Z方向的分布
En(t)模式能够起振，而其他模式En/2(t) En/4(t)因 损耗过大无法起振。
图
周期性损耗的调制开关
锁模激光器原理－－脉冲基本参量
锁相脉冲峰值：
2
设计：李波
Pmax3 E (t ) 3 A
2
2
Pmax n E (t ) nA
tl 3 T 1 2l . 3 3 c
都是腔内允许 存在的模式
锁模激光器原理－－纵模
相邻两个纵模的圆频率间隔
设计：李波
c l
多模场的电矢量E(t)是所有单模场电矢量的总和：
E (t )
( n 1) / 2
( n 1) / 2
A (t )e
n
i[( 0 n ) t n ( t )]
这些和是各种各样的，取决于它们之间的相位，所 有这些形式的组合实际就是各个纵模的不同形式的 拍频，它们同样是腔内允许存在的模式。
锁模激光器原理－－克尔效应
克尔透镜锁模技术
光的折射率与光强有关：
设计：李波
n n0 n2 P
n0 : 材料折射率，与光强无 关； n2：折射率的非线性系数 P：光强
当光强很强时，这种折射率的变化所引起的光的相位延 迟不再可以忽略。
对于50m，2.5MW，800nm的激光 ，传播1cm可产生的非 线性相移，这等效于一个透镜造成的光束自聚焦—高损耗
聚焦光斑小：m量级
聚焦功率密度大：1020～1022W/cm2
电磁场的强度比 原子核对其周 围电子的作用 力还要高数倍
飞秒激光
设计：李波
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; 用飞秒激光进行加工，没有热效应和冲击波，在整 个光程中都不会对基材造成损伤。
困难
直接放大飞秒激光脉冲
脉冲的峰值功率高于激光晶体的损伤阈值 而破坏激光晶体！
飞秒短脉冲的放大——CPA
设计：李波
解决办法
激光先进制造技术
设计：李波
第6章 超快激光加工技术
2013年秋·机电工程学院
设计：李波
§5:超快激光与物质相互作用及应用
1、 杨齐民 钟丽云 吕晓旭编著, 《激光原理与激光器 件》, 2003
2、相关文献
飞秒激光
脉冲短：10－15 s 峰值功率极高：1015W
设计：李波
人类目前在实验室条 件下所能获得最短 脉冲的技术手段 比全世界发电 总功率还大 精确的靶向聚焦