超短脉冲激光烧蚀技术应用探究

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超快激光脉冲产生及其应用

超快激光脉冲产生及其应用

超快激光脉冲产生及其应用超快激光脉冲是指脉冲持续时间非常短,一般在几十飞秒到皮秒之间的激光脉冲。

这样的激光脉冲在科学研究、医疗、精密加工等领域有着广泛的应用。

本文将分别介绍超快激光脉冲的产生原理和其在不同领域中的应用。

超快激光脉冲的产生需要一系列的技术手段,包括产生激光光束、调制光束以及通过非线性光学效应将调制的光束变成超快脉冲等。

1、激光光束的产生激光光束的产生需要使用激光器,激光器的种类比较多,包括气体激光器、半导体激光器、液体激光器和固体激光器等。

其中,固体激光器由于其结构紧凑、功率大、波长稳定等特点,在超快激光脉冲的产生中得到广泛的应用。

调制光束的产生需要使用一些光学器件,比如增益调制器、相位调制器等。

通过这些器件可以对激光光束进行调制,使其携带更多的信息,并且可以为后续的非线性光学效应提供条件。

3、超快脉冲的产生超快脉冲的产生是通过光学非线性效应实现的。

光学非线性效应是指当激光光束与物质相互作用时,光强度增强或者减弱的效应。

这些效应包括自相位调制、四波混频、光学增益压缩等。

通过这些效应,可以将调制光束变成超快脉冲,这些脉冲的宽度一般在几十飞秒到皮秒之间。

1、科学研究超快激光脉冲在物理、化学、生物等领域的研究中有着广泛的应用。

比如,在物理研究中,超快激光脉冲可以用来研究光学脉冲的产生、传输和变化等过程;在化学研究中,超快激光脉冲可以用来研究分子和化学反应等;在生物研究中,超快激光脉冲可以用来研究单细胞、细胞分裂、分子运动等。

2、医疗超快激光脉冲在医疗方面的应用主要集中在两个方面,即眼科和皮肤科。

在眼科领域,超快激光脉冲可以用来进行激光屈光手术,这种手术方式比传统的激光手术更加精细,可以有效避免激光手术的风险。

在皮肤科领域,超快激光脉冲可以用来进行皮肤美容和治疗激光补色等,这些应用与传统的激光美容相比,更加精确和安全。

3、精密加工超快激光脉冲在精密加工中也有着很大的应用,比如微加工、纳米加工、拓扑缩放等。

超短脉冲的发展及应用

超短脉冲的发展及应用
超短脉冲的发展和应用
脉冲宽度在皮秒,飞秒到阿秒的脉冲
秒; 毫秒;微秒;纳秒;皮秒;飞秒;阿秒 皮秒; 皮秒 飞秒; s : ms; ms; ns; ps; fs; as ; ; 现在人们已经能够比较容易地产生脉宽仅为几个飞秒的高强度少周期或亚周期 超短脉冲,脉冲聚焦峰值功率密度可以达到1020~1022 W/ cm2,这种周期量级 超短激光脉冲已经失去了波动所特有的周期性特征,且如此高的激光功率密度 能够产生前所未有的极端物理条件,即超强电场、超强磁场和超高电压等,从 而产生一系列全新的物理现象与规律,开创了极端非线性相互作用的最前沿。
美国哈佛大学的格老伯教授(R.J.Glauber)因对“光相干性的量子理论”的贡 献而分享该奖的一半,另一半由美国国家标准技术研究院(NIST)的霍尔教授 (J.L.Hall)和德国马普量子光学所的亨施教授(T.W.Hansch)共同获得,以 奖励他俩对“超精细激光光谱学,包括光学频率梳技术”的贡献。这些研究 对开发极度精确的钟表和发展更先进的全球定位技术非常有用。
飞秒超短脉冲具有极高的时间分辨率和空间分辨率,在飞秒时间分辨光谱学,飞秒 化学,飞秒生物学、光通讯等领域都有非常广泛的应用。 研究物理,化学和生物过程中的动力学问题,成为观测和记录爆炸和化学过程等超 快过程的重要手段。 飞秒激光极高的峰值功率用于电子及质子加速。 激光核聚变,2010年10月,世界上最强大的激光器国国家点火装置首次成功地实 施一次完整的点火演练。 飞秒激光在病变的早期诊断,医学成像和外科医疗等方面都发挥着极其重要的作用。 飞秒激光利用其独特的优势,能克服长脉冲加工材料选择性大等缺点,可对不同材 料进行精密加工。 在生物学方面,人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/探测技术, 研究光合作用反应中的传能、转能与电荷分离过程等。 阿秒脉冲(1阿秒=10-18秒),最直接的应用就是对原子内部电子及原子核的运动过 程的观测,电子绕氢原子核一周大约是150阿秒,在这样短的时间尺度内飞秒脉冲无法 胜任。最近一个欧洲研究小组首次成功使用阿秒激光脉冲观测分子里的电子运动,揭 示了原子内微观物质运动的规律。 超短脉冲在军事上的应用,使其发展更显得尤为重要

超短脉冲激光及其应用

超短脉冲激光及其应用

空 军 工 程 大 学 学 报(自然科学版)第1卷第1期JOU RNAL O F A I R FO RCE EN G I N EER I N G U N I V ER S IT Y V o l.1N o.1 2000年4月(NA TU RAL SC IEN CE ED IT I ON)A p r.2000 a超短脉冲激光及其应用侯 洵(中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西西安 710068)摘 要: 评述了国际上超短脉冲激光技术的最新研究进展以及超短脉冲激光在超高速光通讯、海量信息存储、光合作用研究、化学反应过程研究等领域广泛的应用状况。

关键词: 超短脉冲激光;超快现象;光通讯;信息存储分类号: TN2 文献标识码:A 文章编号:100923516(2000)0120001205激光的出现是二十世纪最重要的发现之一,也是光学发展史上的第三个里程碑。

激光一出现即以其高度的方向性、相干性以及高强度而受到各方面的重视并迅速获得应用。

作为一种能量载体,它在加工与军事方面已经获得广泛应用。

例如机械加工、材料热处理、合成与微加工,激光测距、地基天基激光反导武器、致盲武器、激光制导炸弹等。

作为一种信息载体,它在信息的获取、传输、存贮、处理与显示方面也都获得了愈来愈广泛的应用。

激光自出现以来一直朝着提高功率、扩展波长范围、缩短脉冲宽度以及全固态化、小型化以至微型化方向发展。

目前,它已经深入到国民经济、国防建设与人们日常生活的大多数领域,成为人们认识世界、改造世界、保卫国家、提高生活质量的有力工具。

激光技术包含的内容相当广泛,本文仅就其发展的最重要的前沿之一——超短脉冲激光及其应用谈一些情况,供读者参考。

1 超短脉冲激光发展的历史及现状脉冲激光技术自1965年用被动锁模红宝石激光器获得皮秒级脉冲而进入超短范围以来,发展十分迅速。

70年代中出现了对撞锁模环形染料激光器,使激光脉冲的宽度进入飞秒范围。

至80年代中,对撞锁模环形染料激光器的脉冲宽度达到了27飞秒(fs)。

超短脉冲激光对熔石英晶体烧蚀阈值的研究

超短脉冲激光对熔石英晶体烧蚀阈值的研究

超短脉冲激光对熔石英晶体烧蚀阈值的研究作者:魏要丽等来源:《价值工程》2015年第07期摘要:研究脉宽分别为30fs,300fs,3000fs的激光作用到熔石英晶体上的烧蚀阈值,可以提高材料的加工精度,促进激光加工技术的实用化。

结果表明:在超短脉冲时,烧蚀阈值可以精确确定,并且烧蚀阈值偏离与脉冲间隔平方根成正比的规律,烧蚀阈值与激光的脉冲宽度无关。

文中结果与以前研究结果符合得较好。

Abstract: Theoretical study of ablation threshold in fused silica by 30fs, 300fs, 3000fs laser pulse, from which can obtain the more precise processing and put the laser processing into practice. Analyzing the results, the authors know that ablation threshold can be definited exactly and deviation from direct ratio regularity of square root. The authors find that ablation threshold has nothing to do with laser pulse-width. Present results are in quantitative agreement with the previous studies.关键词:超短脉冲激光;激光烧蚀;非线性电离;烧蚀阈值Key words: ultrashort pulse laser;laser ablation;nonlinear ionization;ablation threshold中图分类号:O532+.25 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2015)07-0269-020 引言由于飞秒激光的高脉冲功率密度,在激光微细加工中具有独特的优越性,使得超短超强脉冲激光烧蚀材料有广阔的应用前景。

激光脉冲液相烧蚀法合成二氧化钛复合型纳米材料的进展

激光脉冲液相烧蚀法合成二氧化钛复合型纳米材料的进展

激光脉冲液相烧蚀法合成二氧化钛复合型纳米材料的进展近年来,纳米材料在材料科学领域中引起了广泛的关注和研究。

纳米材料具有独特的物理化学性能和潜在的应用价值,因此备受科学家们的关注。

在这些纳米材料中,二氧化钛复合型纳米材料因其优异的光电性能和稳定性,在光催化、光电子器件、传感器等领域具有广泛的应用前景。

而激光脉冲液相烧蚀法合成二氧化钛复合型纳米材料在近年来备受研究者们的青睐,成为了研究的热点之一。

本文将就激光脉冲液相烧蚀法合成二氧化钛复合型纳米材料的研究进展进行探讨。

一、激光脉冲液相烧蚀法的原理激光脉冲液相烧蚀法是一种独特的纳米材料合成方法,其原理是利用激光脉冲能量将金属或氧化物靶材表面瞬时加热、融化,形成高温、高压的等离子体,使靶材表面发生溶解、汽化和离子化等过程,最终在惰性气氛中沉积成纳米颗粒。

激光脉冲液相烧蚀法具有合成过程简单、纯度高、颗粒大小可控等优点,因此在纳米材料合成领域受到了广泛的关注。

二、二氧化钛复合型纳米材料的研究现状当前,钛基复合型纳米材料已经成为了研究的热点之一。

主要是由于其比表面积大、晶格缺陷多、禁带宽度可调、光催化性能优异等优点使得其在环境净化、能源转换等领域具备广泛应用前景。

目前对于二氧化钛复合型纳米材料的研究还处于起步阶段,尤其是对于其在激光脉冲液相烧蚀法下的合成研究更是寥寥无几。

近年来,一些研究者开始利用激光脉冲液相烧蚀法合成二氧化钛复合型纳米材料,并取得了一定的研究进展。

Liu等人利用激光脉冲液相烧蚀法成功合成了钛基二氧化钛纳米纤维材料,其具有优异的光催化性能和光电性能。

Zhang等人利用激光脉冲液相烧蚀法合成了钛基石墨烯复合型二氧化钛纳米材料,其具有良好的稳定性和光电性能。

研究者们还通过调控激光脉冲参数、靶材成分和溶液成分等方式,对激光脉冲液相烧蚀法合成二氧化钛复合型纳米材料进行了系统的研究和优化。

研究结果表明,激光脉冲参数对纳米颗粒的尺寸和形貌具有重要的影响,通过合理设计激光参数,可以控制纳米颗粒的大小和分布。

《超短脉冲技术》课件

《超短脉冲技术》课件

超短脉冲的波形控制
脉冲整形技术
通过改变脉冲的波形,实现脉冲能量的优化分配 ,提高脉冲的稳定性和可靠性。
脉冲压缩技术
通过光学元件的色散效应,将长脉冲压缩成短脉 冲,提高脉冲的峰值功率。
脉冲多路复用技术
将多个超短脉冲组合在一起,实现更高的输出功 率和更广泛的调谐范围。
超短脉冲的稳定性问题
1 2
模式跳变
激光雷达与测距
• 激光雷达与测距:超短脉冲激光雷达是一种高精度、高分辨率 的测距和定位技术。它利用超短脉冲的宽光谱和高重复频率特 性,能够实现高精度的距离和速度测量,被广泛应用于地形测 绘、无人驾驶、气象观测等领域。
原子分子光谱学研究
• 原子分子光谱学研究:超短脉冲 技术为原子分子光谱学研究提供 了新的手段。由于超短脉冲的宽 光谱特性和高峰值功率,它能够 产生瞬时的强光场,从而实现对 原子分子高分辨率和高灵敏度的 光谱测量。这种技术被广泛应用 于物理、化学和天文学等领域。
光纤损耗
光纤中的折射率不均匀、光纤弯曲和 杂质等都会引起光波散射,导致脉冲 能量损失。
空气损耗
超短脉冲在空气中传输时,会被空气 中的分子和气溶胶粒子吸收和散射, 造成能量损失。
04
超短脉冲的应用实例
超快光学成像
• 超快光学成像:超短脉冲技术被广泛应用于超快光学成像领 域。由于超短脉冲的极短持续时间和高峰值功率,它能够产 生瞬时的光场,从而在极短的时间内对物质进行高分辨率和 高灵敏度的成像。这种技术被广泛应用于生物医学、材料科 学和物理学等领域。
光纤放大
利用掺杂光纤作为增益介质,通过泵浦光激发电子-空穴对,实现 信号光的放大。
固态晶体放大
利用固态晶体中的非线性效应,实现信号光的放大。

超短脉冲激光技术-PPT

超短脉冲激光技术-PPT
2N+1个纵模锁模后得输出:
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

超快激光精密制造技术的研究与应用

超快激光精密制造技术的研究与应用

第50卷 第12期 激光与红外Vol.50,No.12 2020年12月 LASER & INFRAREDDecember,2020 文章编号:1001 5078(2020)12 1419 07·综述与评论·超快激光精密制造技术的研究与应用杜 洋,赵 凯,朱忠良,王 江,邓文敬,梁旭东(上海航天设备制造总厂有限公司,上海200245)摘 要:超快激光以其超短的激光脉冲、超高功率密度、较低的烧蚀阈值、加工超精细及可实现冷加工等特点,近年来受到国际学术界和工程界的广泛关注。

本文梳理了超快激光精密制造技术的发展历史,综述了超快激光精密制造技术在表面加工及三维加工领域的工艺研究及应用进展,并介绍了超快激光精密制造装备在国内外的研制情况,对今后超快激光精密制造技术研究的发展趋势进行了探讨和展望。

关键词:超快激光;精密制造;微纳结构;装备中图分类号:TN249 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1001 5078.2020.12.001ResearchandapplicationofultrafastlaserprecisionmanufacturingtechnologyDUYang,ZHAOKai,ZHUZhong liang,WANGJiang,DENGWen jing,LIANGXu dong(ShanghaiAerospaceEquipmentsManufacturingCo.,Ltd.,Shanghai200245,China)Abstract:Ultra fastlaserfeaturesultra shortlaserpulses,ultra highpowerdensity,lowablationthresholds,ultra fineprocessingandcoldprocessing Inrecentyears,ithasreceivedextensiveattentionfromtheinternationalacademicandengineeringcircles Thedevelopmenthistoryofultra fastlaserprecisionmanufacturingtechnologyissortedout,andtheprogressofultra fastlaserprecisionmanufacturingtechnologyinthefieldofsurfaceprocessingand3Dprocessingisreviewed Atthesametime,Thedevelopmentofultra fastlaserprecisionmanufacturingequipmentathomeanda broadisintroduced Finally,thedevelopmenttrendofultra fastlaserprecisionmanufacturingtechnologyresearchisdiscussedandprospected.Keywords:ultra fastlaser;precisionmanufacturing;micro nanostructure;equipment基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(No 51705328);上海市青年科技英才扬帆项目(No 17YF1408500)资助。

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超短脉冲激光烧蚀技术应用探究
近年来随着超短脉冲激光烧蚀技术的发展,该技术被广泛应用于工业领域。
短脉冲激光与物质相互作用时间介于纳秒与飞秒之间,其峰值功率可达兆瓦级,
因此在加工中可应用于高精度、高硬材料的精细加工上,同时也可以实现材料的
三维加工,该方式称为“冷”加工。文章旨在介绍超短脉冲技术的应用研究,使人
们对该技术有一定的宏观认识。

标签:超短脉冲;激光烧蚀;应用探究;宏观认识
1 短脉冲激光器与金属相互作用理论
短脉冲诱导烧蚀材料的过程的建立需要一定的时间,并且与激光强度有直接
关系。当脉宽给定时,只有当激光场的强度超过一定值时,形成的等离子体才能
发生不可逆的损伤阈值,该阈值范围通常以激光的能流阈值表示。根据文献指出,
脉冲宽度从连续到几十个皮秒范围内,烧蚀过程为离子雪崩过程,开始于内部电
子。通过对超短脉宽烧蚀阈值的研究发现,当偏离了脉冲宽度平方根法则的时候,
能量在很大范围内变动均可引起材料的烧蚀,如图1所示为超短脉冲激与金属作
用的过程。

当前人们于超短脉冲激光烧蚀物质的机理和研究还没有获得完全的认知,研
究的模型是将物质看做一个总体的系统去考虑,只有达到了该物质的沸点或熔点
时,使得物质蒸发或者熔化而使材料被去除。应用傅里叶传热模型对上述过程可
进行具体的描述,但是他不适用于描述和分析超短脉冲激光与金属薄膜或者介质
膜的作用过程。原因是由于载流子的特征尺寸与膜层的厚度相当,同时其特征时
间与传输能量的时间接近。

当超短脉冲激光与金属材料作用发生激光烧蚀时,材料的表面的电子吸收激
光的能量后变为非平衡状态,发生了相互制约的现象。造成电子爆炸运动速度接
近于费米速率。同时热电子通过碰撞作用使得内部电子获得加热,之后参与碰撞
的电子达到短暂的呈费米分布的热平衡态。电子与晶格通过碰撞耦合效应,使得
电子温度降低和晶格温度升高,最终电子温度与材料的晶格温度达到平衡。

2 短脉冲激光烧蚀研究方法
激光烧蚀的研究方法包括:实验方法测定,理论计算分析和数值模拟。实验
方法能够准确的对后两种方法进行检验。但实验方法需要的成本巨大。理论计算
分析和数值模拟方法是一种对于研究激光烧蚀问题的非常有的方法,其理论分析
过程非常严谨,但是也存在一定的边界条件限制,需要进行相应的假设,处理问
题的范围有限。但其可低成本、高精度模拟短脉冲烧蚀机理内的复杂问题,一直
是各大科研院校应用的最广泛的方法。若条件允许会采用实验方法进行验证,不
断修正算法达到近乎理想的模拟及精密数值计算水平。
3 短脉冲激光烧蚀应用探究
短脉冲激光烧蚀技术应用十分广泛,几乎涉及到所有工业加工制造领域。光
信息存储应用方面,飞秒激光烧蚀技术现在可以在透明材料介质中,实现三维光
存储技术。通过利用1064nm和248nm组合脉冲激光器制备的银纳米颗粒,可应
用与表面增强拉曼散射光谱技术中,可以探讨这两种Ag纳米颗粒与探针对羟基
苯甲酸的吸附行为。

纳皮秒激光感生击穿光谱技术(LIBS)可应用与测量土壤中有害重金属含
量。激光烧蚀固体进样法,可以精密的测定出固体样品中各种元素的含量,有利
于加工制造符合掺杂比的材料。

在海洋地质研究中,电耦合等离子体质谱与激光烧蚀技术的联用探查海底矿
藏含量或矿脉中也获得了巨大的应用。航空领域中,应用激光烧蚀技术,产生的
推力,已经实现了激光微型喷射器的研制,并已应用于微型卫星的轨道定向制动
中。在核电站领域中,激光烧蚀技术广泛应用于内热控隔层中等离子体表面器件
上的除氚的碳沉积过程

4 结束语
通过对短脉冲激光技术的探究,介绍了超短脉冲激光器与金属相互作用的经
典理论和作用过程,以及超短脉冲激光烧蚀技术在多种领域内的应用范围,论证
了未来超短脉冲烧蚀技术具有非常好的应用前景。

参考文献
[1]Hohlfeld J,Wellershoff S S,Güdde J, et al. Electron and lattice dynamics
following optical excitation of metals[J].Chemical Physics, 2000,251(1-3):
237-258.

[2]Chen J K,Beraun J E. Numerical study of ultrashort laser pulse interactions
with metal films[J].Numerical Heat Transfer Part A - Applications,2001,40(40):
1-20.

作者簡介:王耀德,单位:长春理工大学 理学院,硕士研究生,主要研究
方向:短脉冲激光烧蚀技术。

*通讯作者:李昌立,单位:长春理工大学 理学院,博士研究生,职称:博
士生导师,教授。

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