激光与材料的相互作用

激光与材料的相互作用

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:Y AG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。

表I. 材料加工中常用的激光波长。(点击放大) 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. 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)

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III. 常见材料加工中的脉冲宽度和能量密度值。(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。

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)

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Y AG激光入射能，但由于玻璃导热性差，因而较易熔化。

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)

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。

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，