飞秒激光加工技术

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飞秒激光超微细加工技术简介

飞秒激光超微细加工技术简介

飞秒激光超微细加工技术简介摘要:本文首先简单地介绍了飞秒激光和超微细加工技术飞秒激光加工技术的技术背景,然后较为详细地介绍了飞秒激光超微细加工技术及其特点与应用,结合飞秒激光超微细加工技术的特点将其与其它的微机械加工技术进行了比较,最后分析飞秒激光超微细加工技术的发展趋势和应用前景。

关键词:飞秒激光超微细加工技术飞秒激光超微细加工Femtosecond laser micro machining technology IntroductionAbstract: This paper first briefly describes the technical background of the femtosecond laser and micro machining technology andfemtosecond laser micro machining technology, then a moredetailed description the femtosecond laser micro machiningtechnology and its features and applications, combined withthe femtosecond laser micro machining technology will becharacterized by with other micro-machining technology, thefinal analysis of the femtosecond laser micro machiningtechnology trends and application prospects.Keywords:femtosecond laser micro machining technology femtosecond laser ultra-fine processing0引言激光(Laser,即Light Amplification by stimulated Emission of Radiation的缩写),意思是利用辐射受激得到的加强光,激光加工(Laser Beam Machining)就是把激光的方向性好和输出功率高的特性应用到材料的加工领域中去。

飞秒激光深孔加工技术研究

飞秒激光深孔加工技术研究

S h o f rcs nIsrme t a dOpo lcrnc n ier g T ajnUnv ri , ini 3 0 7 , hn co l eio t oP i n u ns n teet is gn ei , ini ies y T aj 0 0 2 C ia) o E n t n
A bs r t: B y a t ac doptng l ns a i ula ousm ov m e a e i l t i e nd sm t ne e ntofm t ra , he pule s c or f e a f e h s pa e f m be or nd a t rt e fc o alpoi ti t di d i or o w o— m e i n ss u e n f m ft di nsona oo a B y c lf rm p. hang ng t m a lh e di m e e n t i e l i he s l ol a t r a d he sngl pule e r y b or nd a t he ho e, pa e be m ha s ne g ef e a fert l s c a c nge c n beobs r d. a e ve Expe i en alr ulss ow ha ul e rm t es t h t tp s en r e gy onl efe son t e l s rta i t y f ct h a e r ce w d h,a d he di m et a e l e a ou oc n t a erofl s r pu s r nd f alpoi ha es sow l ntc ng l y w he he pi ol a et sm od a e m a l r, ve h n t nh e di m eri ul t d s le e n t e poston ofbe m ii a waiti ha ed. s s c ng The e ph s eno e m na

飞秒激光加工方法及其在光学器件制造中的应用

飞秒激光加工方法及其在光学器件制造中的应用

一、概述随着科学技术的不断发展,激光技术在各个领域得到了广泛的应用,其中飞秒激光技术作为一种新型的加工方法,具有独特的优势,成为光学器件制造领域的热点研究对象。

本文将对飞秒激光加工方法进行介绍,并探讨其在光学器件制造中的应用。

二、飞秒激光加工方法概述1. 飞秒激光技术的基本原理飞秒激光是一种脉冲宽度在飞秒量级的激光,也称超短脉冲激光。

其基本原理是利用超短脉冲激光束对材料进行非热效应的加工,实现精密加工和微纳加工。

2. 飞秒激光加工的特点飞秒激光加工具有非常高的能量密度和极短的作用时间,可以实现高精度、微细加工,同时减少材料受热影响的区域,大大降低了激光加工的热损伤。

三、飞秒激光加工在光学器件制造中的应用1. 飞秒激光在光学薄膜加工中的应用飞秒激光可以精确控制在光学薄膜上产生微小的缺陷和结构,实现光学薄膜的微加工和修复,提高光学膜的光学性能和稳定性。

2. 飞秒激光在光学元件加工中的应用飞秒激光可以对光学元件进行微纳加工,制备微结构、光栅、微透镜等,实现光学元件的定制加工,提高光学器件的性能和功能。

3. 飞秒激光在光学器件组装中的应用飞秒激光可以实现光学元件的精确定位、组装和固定,提高光学器件的组装精度和稳定性。

四、飞秒激光加工方法的发展趋势飞秒激光加工技术在光学器件制造中的应用前景广阔,其发展趋势主要体现在以下几个方面:1. 飞秒激光加工精度的进一步提高随着飞秒激光技术的不断创新,加工精度将会进一步提高,可以实现超精密、超微观的加工。

2. 飞秒激光加工速度的提升未来飞秒激光技术的发展将致力于提高加工速度,实现高效的微纳加工,满足工业化生产的需求。

3. 飞秒激光加工材料范围的拓展飞秒激光加工技术将会拓展到更多的材料加工领域,包括金属、半导体、陶瓷等,扩大其应用范围。

五、结论飞秒激光加工方法作为一种新型的加工技术,在光学器件制造中具有重要的应用前景。

随着飞秒激光技术的不断发展和创新,相信其在光学器件制造领域将发挥越来越重要的作用,为光学器件制造带来更多的创新和突破。

飞秒激光技术在科学研究中的应用

飞秒激光技术在科学研究中的应用

飞秒激光技术在科学研究中的应用作为一种新兴的光学技术,飞秒激光技术因其超快速的响应和微小的光学波长而备受瞩目。

在过去的二十年里,飞秒激光技术在材料科学、化学、生物等多个领域都有广泛的应用,成为近几年来最受欢迎的研究工具之一。

本文将介绍飞秒激光技术在科学研究中的应用,并对其未来的应用前景进行展望。

一、飞秒激光技术的基本原理首先需要了解飞秒激光技术的基本原理。

飞秒激光技术是一种超快速的激光技术,其激光脉冲的持续时间仅为飞秒级别,即1秒内发生的次数为10¹⁵,因此也被称为超短激光技术。

飞秒激光技术以一定的泵浦能量输入样品光团,该能量非常的小,无法改变样品的温度,密度等基础性质。

但是,由于超快速的响应特性,飞秒激光与样品相互作用时会产生非常强烈的局部场,将样品加热到非常高的温度,并且经过短暂的时间就会冷却回去。

这一过程类似于一种“烤焦即焕新”的过程,即飞秒激光的微小功率集中于样品的局部区域,将其加温后再冷却,从而使材料的内部结构发生变化。

这样,飞秒激光技术就可以作为一种非常精确而有力的加工工具,将物质加热并产生非常短暂但高度能量密度的局部场,以实现样品上的各种操作。

二、飞秒激光技术在材料科学中的应用飞秒激光技术在材料科学中的应用十分广泛。

首先是在制造纳米器件方面的应用。

利用飞秒激光技术可以制造出非常细微的设备和结构,同时攻克了传统机械加工技术所面临的纳米尺度加工难题,具有更大的预测性和可控性。

这项技术广泛应用于半导体加工、微机电系统制造和纳米器件制造等领域。

另外,飞秒激光技术还可用于材料微观结构分析和表面改性,通过控制激光工艺参数、改变材料表面能量状态,改善材料的物理和化学性能。

例如,使用飞秒激光技术可以制造出非常精细的金属纳米结构,具有优异的可见光透过率和电学性能;同时,它还可以在不影响材料内部结构的情况下改变材料表面的形貌,从而实现材料表面的精密工艺处理,如通过制造非常细密的孔洞或精密的凹凸点阵等得到更多的物理或化学特性。

飞秒激光原理

飞秒激光原理

飞秒激光原理
飞秒激光是一种特殊的激光技术,它的原理和应用在当今科技领域中扮演着重要的角色。

飞秒激光的原理可以从激光的发射、传输和作用三个方面来进行解释。

首先,飞秒激光的发射原理是通过使用飞秒激光器来产生飞秒脉冲。

飞秒激光器通常采用钛宝石激光器或掺铬锆酸钇激光器作为激发源,通过调Q开关和倍频晶体的作用,产生超短脉冲的飞秒激光。

这种超短脉冲的飞秒激光具有极高的光束质量和能量密度,可以在纳秒甚至飞秒的时间尺度内完成激光作用。

其次,飞秒激光的传输原理是利用飞秒脉冲的特性进行传输。

飞秒脉冲的特点是脉冲宽度极短,能量密度极高,因此在传输过程中几乎不会发生能量损失和光束扩散。

这使得飞秒激光可以在空气、水、甚至固体材料中传输,实现对不同介质的激光加工和作用。

最后,飞秒激光的作用原理是利用其超短脉冲的特性实现材料的微加工和精密加工。

飞秒激光可以在材料表面产生微小的熔融区域,实现微米甚至纳米级别的加工精度。

同时,由于飞秒激光的作用时间极短,因此在激光作用后的材料表面几乎不会产生热影响区和热应力,保持了材料的原始性能和外观。

除了在微加工领域,飞秒激光还在生物医学、光电通信、激光雷达等领域有着广泛的应用。

例如,飞秒激光在角膜屈光手术中可以实现对角膜的精确切割,使患者在手术后能够迅速恢复视力;在光通信领域,飞秒激光可以实现对光信号的调控和处理,提高光通信的传输速率和稳定性。

总的来说,飞秒激光作为一种新型的激光技术,具有独特的原理和应用优势,为材料加工和光学技术领域带来了革命性的变革。

随着科技的不断发展,相信飞秒激光技术将会在更多领域展现出其巨大的潜力和价值。

飞秒激光原理

飞秒激光原理

飞秒激光原理飞秒激光是一种高能量、短脉冲宽度的激光。

其原理是利用飞秒脉冲在物质中的非线性光学效应来实现材料的微观加工、精密测量和光谱分析等应用。

飞秒激光的特殊性质使其在多个领域具有广泛的应用前景。

飞秒激光的特点之一是其极短的脉冲宽度,一般为飞秒量级(1飞秒等于10的负15次方秒)。

这种超短脉冲使得飞秒激光在时间尺度上具有高度局限性,能够实现对物质的精细加工。

与传统的纳秒激光相比,飞秒激光的脉冲宽度更短,能够将激光能量集中在更小的空间范围内,实现更精确的加工效果。

飞秒激光的原理是通过在飞秒时间尺度下产生的非线性光学效应来实现对物质的加工。

当飞秒激光入射到材料表面时,激光与物质相互作用,产生非线性光学效应。

这些效应包括非线性吸收、非线性折射、非线性散射等。

这些非线性光学效应使得飞秒激光能够在非常短的时间内将激光能量转化为物质的电子激发、离子化等过程,从而实现材料的微观加工。

飞秒激光的微观加工应用主要包括光刻、激光打孔、激光切割等。

在光刻领域,飞秒激光能够实现更小的线宽和更高的加工精度,可以用于制造微电子器件、光学元件等。

在激光打孔和切割领域,飞秒激光能够实现更小的孔径和更光滑的切割面,可用于制造微孔、微通道等微加工结构。

飞秒激光的应用还包括精密测量和光谱分析。

由于飞秒激光的短脉冲宽度和高能量密度,它可以实现对物质的高分辨率测量和高灵敏度检测。

在精密测量领域,飞秒激光可以用于制造高精度的光栅、光学陀螺等测量设备。

在光谱分析领域,飞秒激光可以实现对物质的高分辨率光谱测量,用于研究物质的结构和性质。

飞秒激光的应用领域还在不断拓展。

例如,在生物医学领域,飞秒激光可以用于实现高精度的组织切割和病变检测,为精确医疗提供支持。

在材料科学领域,飞秒激光可以实现对材料的超快动力学过程的研究,为新材料的设计和合成提供指导。

飞秒激光的原理是利用飞秒脉冲在物质中的非线性光学效应来实现材料的微观加工、精密测量和光谱分析等应用。

飞秒激光技术在实验中的应用技巧

飞秒激光技术在实验中的应用技巧

飞秒激光技术在实验中的应用技巧标题:飞秒激光技术的实验应用技巧引言:飞秒激光技术是一种应用于实验室研究中的先进技术,它具有超短脉冲宽度、超高峰值功率和极高的空间聚焦能力,因此在多个领域中都有广泛的应用。

本文将探讨飞秒激光技术在实验中的应用技巧和相关细节,旨在帮助读者更好地理解和应用这一重要的科学工具。

一、飞秒激光技术简介飞秒激光技术是一种激光技术的发展分支,其主要特点是激光脉冲的宽度只有1飞秒(1秒钟的十亿分之一),而传统激光脉冲一般为几纳秒或皮秒级。

这使得飞秒激光可以实现超快速的光学响应和极高的能量密度,从而在实验研究中发挥重要作用。

二、飞秒激光在物理实验中的应用技巧1. 超快速光谱学研究飞秒激光技术在光谱学研究领域有着重要应用。

通过飞秒激光的超快速激发和检测手段,可以实时地观察物质状态的变化,探索分子内部结构和动力学行为等。

飞秒激光光谱学适用于非线性光学、光电子学、超快化学反应等研究领域。

2. 生物医学成像飞秒激光技术在生物医学领域中的应用也非常广泛。

其高聚焦能力可以获得更高分辨率的图像,用于细胞和组织的超高清成像。

同时,飞秒激光还可以用于光动力疗法,通过光能的照射对癌细胞进行破坏,具有潜在的肿瘤治疗应用前景。

3. 材料加工和纳米制造飞秒激光技术在材料加工和纳米制造领域也被广泛应用。

由于其超快速、高精度和非接触性等特点,可以实现精确的微细加工,如刻蚀、切割和打孔等。

此外,飞秒激光还能够在纳米尺度上实现精密操控和组装,对纳米材料的制备和应用提供了有力工具。

三、飞秒激光技术的实验操作技巧1. 激光参数调节在飞秒激光实验中,调节激光的脉冲宽度和能量是非常重要的。

通常情况下,短脉冲宽度可提供更高的能量密度,但也增加了实验中的复杂性。

因此,根据具体实验需求,合理调整激光参数是保证实验成功的关键步骤。

2. 光路对齐和稳定飞秒激光的高能量需要实验中高质量的光学元件和精确的光路对齐。

在进行实验前,需要仔细检查并调整光路,确保激光光束的稳定和准确。

飞秒激光3D打印的研究与应用

飞秒激光3D打印的研究与应用

飞秒激光3D打印的研究与应用随着3D打印技术的不断发展,越来越多的行业开始应用3D打印技术。

尤其是飞秒激光3D打印技术的出现,为3D打印行业带来了新的技术突破,因此在医疗、军事、工业等诸多领域都得到了广泛的应用。

本文将探讨飞秒激光3D打印技术的原理、研究进展以及应用情况。

1. 飞秒激光3D打印技术的原理飞秒激光3D打印技术是一种非接触式的加工技术,其主要原理是将飞秒激光束聚焦在工作材料上,利用飞秒激光的特殊性质对工作材料进行加工。

在飞秒激光束作用下,材料表面的电子被迅速加速而凝聚在一起,形成具有高密度的等离子体。

等离子体产生高温和高压,这种高能量的作用下可以使工作材料发生相变,形成微小的结构和复杂的形状。

通过对激光束的控制和调整,可以在微纳米级别对材料进行精确的加工和控制。

2. 飞秒激光3D打印技术的研究进展随着飞秒激光3D打印技术的不断发展,一批科研人员在该领域取得了重要的创新成果。

例如,美国麻省理工学院和哈佛大学的研究人员合作利用飞秒激光3D 打印技术打印出了一种具有高效控制能力的机器人。

这种机器人的身体、腿和传感器都是一体化设计,具有诸如检测、机械臂和光学感应等多种功能。

此外,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所也在飞秒激光3D打印技术方面取得了显著成果。

该研究所推出了一种基于飞秒激光3D打印技术的坑道模拟流体力学实验系统,能够准确模拟地下流体的动力和热学过程,实现了地下资源勘探的高精度模拟。

3. 飞秒激光3D打印技术的应用情况由于飞秒激光3D打印技术在精度和制造效率方面都具有显著的优势,因此在医疗、军事、工业以及文物保护等领域得到了广泛应用。

在医疗方面,飞秒激光3D打印技术可以快速精确地制造出人体骨骼和血管模型,提高手术过程的精细程度和安全性。

此外,利用该技术还可以制造出高精度的矫形器和义肢,帮助很多残疾人重获自由。

在军事方面,飞秒激光3D打印技术可以制造出高精度的光学器件和构建具有隐身效果的材料。

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脉冲激光
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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;
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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;
其四是以掺杂稀土元素的SiO2为增益介质的飞秒光
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纤激光器。
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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;
大约相当于8飞秒。
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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)。
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连续激光
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;
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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
上升,并以等离子体向外喷发的形式得到去除。严
格避免了热熔化的存在,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。
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3)加工过程的准确性
每一个激光脉冲与物质相互作用的持续期内避免了 热扩散的存在,在根本上消除了类似于长脉冲加工过 程中的熔融区、热影响区、冲击波等多种效应对周 围材料造成的影响和热损伤,将加工过程所涉及的 空间范围大大缩小,从而提高了激光加工的准确程 度,即运用飞秒加工决不会“伤及无辜”。
KLM锁模原理图
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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
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15 光强度有关的折射率变化,
克尔效应产生了依赖于光
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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
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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 形式飞秒激光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。
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
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13 使脉冲压缩。这种脉冲光
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。
式得到去除,实现了激光对材料的非热熔性加工.
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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 以实现对任何材料的精细加工、修复和处理,而与材 料的种类和特性无关。
2)非热熔性
最重要的特征。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
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这是我们我们生活中 常见的激光器。 属于半导体激光器。
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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
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2)锁模技术
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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
KLM锁模掺钛蓝宝石激光器实物图
A
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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
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其二是以掺钛蓝宝石,Li:16 SAF,掺镁橄榄石等固体材
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。
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长脉冲激光加工过程
飞秒脉冲激光加工过程
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4)加工尺寸的亚微米特性和3D空间分辨性 飞秒加工可以突破光束衍射极限的限制,实现尺寸
(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。
飞秒激光加工技术
机研133张国召
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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
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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。
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