皮秒激光器原理及应用.docx

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皮秒激光器原理及应用

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皮秒激光器的原理及应用

*激光技术对公民经济及社会发展的重要作用：

激光技术是二十世纪与原子能、

半导体及计

算机齐名的四项重要发明之一。

跟着激光技术的不断发展，

激光应用已经浸透到科研、

家产

的各个方面，在汽车制造、航空航天、钢铁、金属加工、冶金、太阳能以及医疗设施等领域

都起到重要作用。

激光家产在我国发展了五十多年，

已经与多个学科形成了不一样种类技术应

用，比方光电技术，激光医疗与生物光子学、激光加工技术、激光检测与计量技术、激光全

息技术、激光光谱剖析技术、非线性光学、超快激光学、激光化学、量子光学、激光雷达、

激光制导、激光分别同位素、激光可控核聚变、激光武器等。

激光器及其配件在激光家产的整个家产链中据有特别重要的地位，

属于技术和专业性都

很强的家产。

激光通讯、激光储存和激光显示主要应用在信息领域。

激光加工（包含激光切割、

激光

焊接、激光打标、激光钻孔等）和激光医疗则在医学和工业上应用宽泛。

超短激光脉冲的激光切除的长处在好多应用中获取了证明，

直到近来也没有在工厂的地

板上发现这些应用的工业副产物。

在工业应用中，除掉质量要素以外，可重复生产性和每个

零件的成本也是很重要的标准。

激光系统的靠谱性自然和所使用的激光技术直接联系在一同。

每个零零件的成本基本上

和超短激光脉冲的重复频次直接联系在一同。

高附带值，高重复率的生产力，靠谱的技术等

全部这些要求不过在近来经过二极管泵浦的皮秒激光器才达成。

皮秒激光器在大规模生产中的第一次应用在

ThePhotonics

West2005

上被报导。

20ps

脉冲连续时间的1μJ的脉冲被聚焦到薄的钢箔上，在脉冲光束的方向上一系列齐心环被去

除。

不一样的齐心圆环形成一个园盘，

去除资料的不一样圆盘形成一个锥形孔，

这个孔在专业的

高质量的打印头中作为注入墨水的喷嘴。

在过去几年中，绝大多半超快激光器制造商集中精

力在飞秒激光器的开发上。

这些激光器需要一种复杂的

CPA技术来保持峰值功率密度在某

一个损害阈值下的放大阶跃。

用这种方式，能够产生

mJ水平的脉冲能量，但是重复率被限

制在几KHZ。

比较而言几百μJ的高脉冲能量对厚资料的钻孔或切割是有益的。

柴油机的注

入喷嘴的钻孔就是一个例子，这里1mm厚的钢板资料不得不被精美的打孔以致不需要进一

步的洁净办理。

LUMERALASER为了这个应用开发了皮秒激光器

STACCATO。

因为它的脉冲时间在皮秒

围，STACCATO激光系统不需要

CPA技术。

激光工作物质

Nd：

YVO4同意用激光二极管直

接泵浦，使其拥有高的脉冲能量和高的重复频次。

STACCATO激光系统在10ps的脉冲连续

时间在1064nm时输出

10W的均匀功率，它的激光束凑近衍射极限，能被很理想的聚焦。

*与飞秒激光器对比，

达到100KHZ的特别高的重复频次保证了高的生产率。

在紫外光谱区

域很多资料有比较高的线形汲取系数，对资料的去除来说这是特别有益的。

从

STACCATO

发出的红外激光辐射因为其特别高的峰值功率密度能够被转变成更短的激光波长

532nm，

355nm和266nm。

当由STACCATO激光器产生的

100μJ的光脉冲打到资料上时冷切除被触

发，但是快速扩散的等离子体仍旧可能以致资料的热效应。

所以对一个好的结果而言，

不只

超短激光脉冲的产生是重要的并且合适的工艺技术也是重要的。

据证明像开孔这样的工艺对

微机械加工结果而言不只合适的加工策略是重要的，

并且偏振控制，合适的使用协助气体和

真空喷嘴也很重要。

热惹起的裂纹，液化点能够经过使用合适的加工策略防止。

图2左右分

别为在钢铁和陶瓷上用皮秒激光器加工的孔在资料去除时陪伴着高脉冲能量的强等离子体

的形成惹起了一个问题，即市场上能获取的超快激光器能否为精美的表面加工而设计得理

Word文档

.

想。

下边的考虑波及到超快激光器对凑近表面的资料的精美去除的理想的参数。

在很多实验中一般的经验表示，假如在合理的的去除速率条件下最好的精度能够经过功

率密度选择在

5-10倍的阈值超短激光脉冲获取。

对金属而言，这意味着

10PS的脉冲的能

量密度应当为

1J/cm2。

假如微机械加工的激光束被聚焦成典型的直径

10μm的光斑，那么

最正确的脉冲能量应当为

1μJ。

在这种状况下每个激光脉冲融化的资料厚度的典型值为

10-100nm，等离子的形成是最小的，质量是很好的，能够加工出来

0.1μm精度的微构造。

STACCATO皮秒激光器的

100个脉冲办理后，资料依照定义的方式被去除，以致激光

束的轮廓被映照到资料上。

有希望的实质应用是为机械，

化学，液体设计的金属零件的表面

加工。

皮秒激光器激光加工能够进行几乎全部高生产率的构造加工。

构造是经过STACCATO

激光器在50KHZ，将532nm的光辐射聚焦到直径为

25μm的一个点上加工出来的。

涡轮叶

片表面的合适设计的构造能特别明显地减小摩檫力，燃料耗费和环境破坏。

作为上述容的总结，表面加工激光器应当有皮秒级的脉冲连续时间，几μ

J的中等脉冲

能量和特别高的重复率。

这样的激光器近来由

LUMERA投入市场，这款激光器名为RAPID。

因为相对简单的设计，使

RAPID这款激光器拥有尺寸小的，构造紧凑的特色，它由皮秒激

光振荡器，放大器和特别快的

Pockels核构成，以致它能供给高达

500KHZ的重复率。

超快

激光器的微机械加工要求各样加工参数。

RAPID的重复率能够从外面进行控制。

单脉冲工作，

突发模式或任何外面定义的脉冲序列都能够经过

TTL脉冲来触发。

这以致各样加工策略成为

可能，并能供给光束路径的控制。

光束束斑质量特别好，

并且很稳固，在各样重复率的不一样

环境下几乎没有任何影响，

这些特色是特别明显的。

RAPID的激光束几乎凑近衍射极限所以

表现出优秀的可聚焦性。

它的脉冲连续时间大概为

10ps，脉冲能量即便在高的重复率和转

换成532nm，355nm，266nm

的条件下也是足够超出去除金属的阈值能量的。

脉冲与脉冲

的能量变化小于

1%rms。

RAPID激光器的技术设计中，其输出激光参数、可控性能等指标表示该激光器是金属表面加工的理想工具，如金属表面打孔，储存器的修理，以及在半导体工业中的打标等。

2μm激光器及其应用

*2um激光器的研究近来成为热点的课题之一，因为其在医疗等领域应用远景广阔。

人体组织中水的比率大概占70％，因此组织对光的汲取状况与水相像。

水在中红外波

段有两个强的汲取谱带，分别为2.5～4.0μm和5.6～10μm。

所以，当激光与人体组织相互

作用时，水对所用激光汲取系数的大小就决定了激光在组织中的穿透深度、损害地区以及手术精度等。

Nd:

YAG激光器的波长为1.06μm，能够用石英光纤传输，在医疗方面有许多应用。

但是，因为水对它的汲取仅为0.1cm-1，在有些外科手术中，它的穿透深度较深，损害地区较

大，手术精度不高，所以不宜使用。

Er:

YAG激光波长为2.94μm,水对它的汲取为3000cm-1，属水的强汲取波段。

对医疗应用来说，铒激光器是一个十分理想的光源，但是令人遗憾的是：

铒激光不可以用石英光纤传输，能够传输铒激光的非石英光纤简单断裂，防碍其临床应用。

Ho:

YAG激光波长为2.1μm，位于水较强汲取谱线。

水对其汲取约为25cm-1，是水对

Nd:

YAG激光汲取的250倍。

明显，水对Ho:

YAG激光的强汲取使其能够在大多半软组织和

硬组织中产生浅的穿透深度、高的手术精度和独到的凝血作用，大大限制了损害地区。

在未

来几年中，它将逐渐代替Nd:

YAG激光器。

固然水对钬激光的汲取不过水对铒激光汲取的一

Word文档

.

百二十分之一，但是钬激光能用低OH-的石英光纤传输，这就使钬激光能有效地工作在气

体和液体环境中，为医生切除软骨和其余硬组织供给精准的门路，使钬激光成为现有激光窥

镜系统中最适合的光源[37]。

钬激光在软组织中的外科手术精度与CO2激光对比较，可能略

低于CO2激光的手术精度，但是它能为大多半组织供给更好的凝血功能。

除此以外，两者之间的最大差别是CO2激光不可以用石英光纤传输，只好借助于粗笨的关节臂来导光，十分不便；而能用光纤传输的脉冲钬激光则是切除和烧蚀软骨以及其余硬的钙化的组织的有效工

具。

所以有人称钬激光关于CO2激光来说拥有挑战性，在某些手术中钬激光拥有代替CO2

激光的潜力。

因为人体其余部分组织也都含有大批的水分，由此能够推出，人体组织对2.1μm的钬

激光均有激烈的汲取作用，这一特色使得钬激光器在医学上有着广阔的应用远景。

激光制冷的发展、应用及其余制冷技术

*制冷技术在促使公民经济建设以及推进科学技术发展中拥有极其重要的作用，在农业方面，如在水果蔬菜产区，储藏水果蔬菜即需要大批的冷库找寻和开发更优胜的低温制冷技术向来是农产品储蓄领域的研究热点。

跟着科技的进步和人们生活水平的不断提升，与国计民生息息有关的制冷空调行业也面

临着新的机会和挑战，传统的制冷方式也渐渐裸露出其弊端和不足，特别是限制破坏臭氧层物质和温室效应气体有关协议的出台，对蒸汽压缩式制冷方式提出了严重的考验。

不论是超导仍是BEC，超低温都是其必不行少的条件。

从热力学创始至发展以来。

绝对

零度向来是一个可望而不行及的温度，只管我们不行达到，但我们都试图去凑近它。

不单是

在热力学，在其余领域，绝对零度都是一个很值得去追究的问题。

我们经过一些超低温实验

来考证或许发现某些规律。

而激光制冷拥有无振动、无噪声、无电磁辐射、体积小、重量轻、靠谱性高、寿命长、环保等长处，是我们努力研究的制冷方向，是通向超低温领域的一个必

不行少的门路。

一、激光制冷原理

激光制冷原理有两种：

多普勒制冷技术和反斯托克斯荧光制冷技术。

1.温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的激烈程度。

众所

周知，我们四周的全部分子和原子都在进行着永不暂停的无规则的热运动。

而我们制冷的实

质就是降低这些分子或原子的整体上的热运动的激烈程度。

激光制冷中的一个很重要的技术就是多普勒冷却技术，多普勒冷却技术的原理就是经过

激光发出光子来阻挡原子的热运动，而这个阻挡过程则是经过减小原子的动量来实现的。

那

么，激光终究是怎样来减小这些原子的动量呢？

*第一，量子力学提出，原子只好汲取特定频次的光子，进而改变其动量。

多普勒效应指出，波在波源移向察看者时频次变高，而在波源远离察看者时频次变低。

当察看者挪动时也能得

到相同的结论。

相同，关于原子也是这样，