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飞秒激光加工有哪些优与劣？

时间：2019-7-24 10:37作者：update 阅读(1541) 评论: 5

导读：激光曾被视为神秘之光，并已被人类广泛使用。飞秒也叫毫微微秒，简称fs，是标衡时间长短的一种计量单位，飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段。

　　激光曾被视为神秘之光，并已被人类广泛使用。飞秒也叫毫微微秒，简称fs，是标衡时间长短的一种计量单位，飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段。飞秒激光在瞬间发出的巨大功率比全世界发电总功率还大，已有所应用，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。

　　飞秒激光有什么用途呢？众所周知，物质是由分子和原子组成的，但是它们不是静止的，都在快速地运动着，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。

　　飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。基于这些科学上的发现，飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。特别值得提出的是，由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病变早期诊断、医学成象和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。

　　在微加工领域，由于其对材料周围影响极小，能安全的切割，打孔、雕刻，甚至应用于集成电路的光刻工艺中。在国防领域，飞秒激光应用在安全切割高爆炸药，拆除废旧退役的火箭，炮弹等。

　　在医学领域，飞秒激光像一把精密的手术刀，用于治疗近视，美容等方面。

　　在生物学领域，飞秒激光轰击细胞DNA，使其发生突变，用于研究基因变化的各种影响。在环境领域，飞秒激光LIBS技术测量大气污染成分，检测环境污染水平。在科研领域，飞秒激光更是无处不在。随着飞秒激光技术的发展，飞秒激光能在更多领域获得更多的应用。

　　物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象：气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体。这种等离子体可以辐射出各种波长的射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞秒激光，产生β射线激光，产生正负电子对。

　　高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展前景。高功率飞秒激光还可以将大气击穿，从而制造放电通道，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏。利用飞秒激光能够非常有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩。高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火。从而为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径。

　　根据激光与物质相互作用的机理，激光加工可分为两大类：激光热加工和非热加工。热加工和非热加工通常使用的激光类型是不同的，热加工通常使用的是长脉冲激光或连续激光，非热加工通常使用的是皮秒、飞秒等超短脉冲激光。

　　激光热加工利用激光照射材料过程中产生的热效应，被照射材料的分子体系需要不断地从照射激光获取能量转化为自身的内能，被照射区域的温度急剧升高，达到材料的熔点和沸点，发生融化、去除，达到加工目的。由于激光的能量转化为分子体系的内能需要的时间较长，因此热加工常用长脉冲激光。这一加工方法简单直接，已广泛用于工业制造，如激光切割、激光增材制造等。但由于加工过程中存在不可避免的热扩散，限制了激光热加工的精度和粗糙度。

　　非热加工则是利用由材料电子体系扰动引起的非线性效应（如非线性电离、表面散射等），通过电子吸收光子发生跃迁和电离，诱导材料的物理、化学性质发生改变，从而导致一些新颖效应的产生（如双光子聚合、激光自组装等），利用这些新颖的效应达到提高加工精度、优化加工方法的目的。由于电子体系和激光的能量交换可以在瞬间完成，因此非热加工常用超短脉冲激光。这种加工方法精度较高，加工手段多样，是目前激光加工领域的研究热点之一。

　　超高的峰值功率和超短的脉冲持续时间是飞秒激光的两个主要优势。超高的峰值功率使其足以诱导材料产生多种多样的非线性效应，丰富了激光加工的方法。而超快的时间特性也使得飞秒激光与材料相互作用的过程非常短暂，激光辐照区域吸收的光能量甚至来不及传递到其他区域，确保激光能量可以精准地沉积在辐照范围内，实现超精细加工。

　　目前，飞秒激光已经广泛用于微纳加工领域，主要有激光直写和激光掩膜两种方法。然而，由于加工系统存在衍射极限，使得激光辐照区域不可能无限制的缩小，限制了加工精度的进一步提高。同时由于不同材料的非线性特征不同，使得飞秒激光加工对材料有着强烈的依赖性，同一加工方法对于不同材料往往表现出不同的加工效果。

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