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yeer

2009-01-06 11:57

飛秒激光加工技術(shù)介紹

人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展總是伴隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新。從中國(guó)古老的四大發(fā)明到公元十八世紀(jì)中葉的蒸氣機(jī)，從愛(ài)迪生的第一盞電燈到現(xiàn)在無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)世界，科學(xué)技術(shù)承載著人類(lèi)的夢(mèng)想，不斷探索著未知世界。時(shí)間進(jìn)入二十一世紀(jì)，人類(lèi)對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)朝著細(xì)化、深入的方向不斷邁進(jìn)。在對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)過(guò)程中，原有的技術(shù)手段漸漸顯露出了不足和先天性的弊端，越來(lái)越精細(xì)的需求使得人們又開(kāi)始了新一輪的技術(shù)探索之旅。

    1917年，愛(ài)因斯坦提出“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎(chǔ)。1960年，美國(guó)人梅曼(T. H. Maiman)發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器。梅曼利用紅寶石晶體做發(fā)光材料，用發(fā)光度很高的脈沖氙燈做激發(fā)光源，獲得了人類(lèi)有史以來(lái)的第一束激光。40年來(lái)，激光科學(xué)技術(shù)經(jīng)歷了長(zhǎng)足的發(fā)展，逐漸成為一項(xiàng)推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)向前的重要技術(shù)。二十世紀(jì)后期，超短超強(qiáng)激光一一飛秒激光的誕生為這門(mén)技術(shù)注入了新鮮的血液，大大拓展了應(yīng)用范圍，呈現(xiàn)出更為廣闊的研究前景。

    1.飛秒激光簡(jiǎn)介及發(fā)展歷史

    飛秒是一個(gè)時(shí)間量級(jí)，具體講就是千萬(wàn)億分之一秒(10-15s)。我們都知道光速V=3xl08m/s，即一秒內(nèi)可以傳輸三十萬(wàn)公里，相當(dāng)于繞地球轉(zhuǎn)七圈半。如果給它乘上飛秒這樣一個(gè)時(shí)間級(jí)，那么，它能夠傳輸?shù)木嚯x就要用微米單位來(lái)衡量了。簡(jiǎn)單來(lái)講，飛秒激光就是通過(guò)一系列技術(shù)手段在時(shí)間上將激光分解成以飛秒來(lái)衡量的若干小段。由于脈寬極窄，相對(duì)較低的脈沖能量就能夠獲得極高的峰值功率。未放大的飛秒激光脈沖可以達(dá)到兆瓦(MW)量級(jí)，放大后，峰值功率更可以達(dá)到1021W/cm2。這樣的電場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)于氫原子束縛其核外電子庫(kù)侖場(chǎng)的上百倍。在這種電磁場(chǎng)的作用下，電子的振動(dòng)能可達(dá)l0MeV。這樣強(qiáng)的激光與物質(zhì)互作用時(shí)，可以產(chǎn)生高次諧波、X射線、中子射線、1021g的加速度，等等。

    飛秒激光脈沖首先是在染料激光器中利用碰撞脈沖鎖模（CPM）的原理獲得的。
到 1985 年 R. L. Fork 等已經(jīng)獲得了 27fs 的短脈沖。1987 年，他們利用自相位調(diào)制（SPM）和光柵壓縮的原理，做到了短至 6fs 的脈沖。但是由于染料激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，染料一般采用噴流形成膜的方式，所以其操作性差，并且不利于小型化和實(shí)用化。

    隨著 80 年代晶體生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展，以 1982 年問(wèn)世的摻鈦藍(lán)寶石晶體（Ti:Sapphire）為代表，出現(xiàn)了多種性能優(yōu)良的固體激光晶體，為飛秒激光器的固體化，實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。1982 年，麻省理工學(xué)院（MIT）林肯實(shí)驗(yàn)室的Peter F. Moulton 第一次實(shí)現(xiàn)了以摻鈦藍(lán)寶石（Ti:sapphire，以下簡(jiǎn)稱(chēng)鈦寶石）作為工作介質(zhì)的激光器。染料激光器、倍頻 Nd: YAG 激光器、Ar+激光器等都可以作為鈦寶石激光器的泵浦源。在 80 年代后期，鈦寶石作為增益介質(zhì)開(kāi)始在超短脈沖的產(chǎn)生中發(fā)揮了重大作用。