飞秒激光的应用

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激光技术与应用

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飞秒激光的应用

"宋云夺

作用明显呈非线性!此时可忽略热影响&当脉

!引言

冲能量增加及峰值功率提高时!激光电场就可以从原子和分子中直接获取电子&此外!科研人员在低脉冲能量情况下!利用激光的超高速和光谱的宽带性能开发了新的测量技术&

自!#$%年下半年起!超短脉冲的产生及其放大技术的研究取得了显著进展"脉宽已由飞秒#!%&!’秒$达到阿秒#!%&!$秒$%脉冲的峰值功率也由太瓦级#!%!"($向拍瓦级#!%!’瓦$发展&利用台式最高级即太瓦级的高强度飞秒激光脉冲产生的超强电场能获得可控的飞秒激光&目前科研人员正进行飞秒激光极限特性的研究及其在工业领域中的应用研究&

飞秒激光器的特点是超高速和超强电场&图!是短脉冲激光器在工业领域中的应用实例&当脉宽在!)*以下时!激光与物质的相互

"飞秒激光的超强电场

近年来!由于超强电磁场的出现使利用微扰论无法处理的现象成为可能&为了评价飞秒激光脉冲产生的超强电场!而定义下述参数&

"#!激光中的电子

在激光电磁场中振动的电子动能!+用下式

表示为

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式中"是电子的元电荷%#%是激光电场%$是电子质量%!是激光角频率%"是线偏振光时为%%圆偏振光时为!%%!-是激光光强!$!1是激光波长&

真空中的光电场振幅#(341$用光强%((451"$表示为#,"/6-0!%0!&

当聚光波长为!!1!光强达到!%!$(451"

时!电子能量为!%%723!而电磁场中的振动速度接近光速&当光强超过这一数值时!在电子

图!

短脉冲激光的应用领域

能量增加的同时!质量也随之增大&

光机电信息!""#$!"

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激光技术与应用

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普顿散射现象!并产生具有数978能量的光子"用低强度的飞秒激光脉冲照射光电阴极将产生飞秒电子脉冲!这种脉冲将成为高亮度电子源"

$#%

当激光强度达到太瓦级时!则很容易产生非线性现象"在*个大气压的气体中!光能自动地改变折射率!由于位相的变化而产生相干白光"利用这一现象可进行大气观测和气溶胶的测量"

!"!激光电场中的原子和分子

原子和分子处于高强度的激光电磁场中!

容易丢失电子而形成离子"!!和原子#分子的离子化电势的比较关系用参数!表示为

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式中"!是离子化电势"在强电场中施加飞秒时间!苯或二氧芑这样的分子将发生不改变形状的离子化"在更强的电场中!电子瞬时被捕获!剩余的同性离子因库仑力而排斥!这种现象被称为库仑爆炸"

#%!超高速的应用

利用飞秒激光的超高速性能可形成物质的

!"#激光强度和相对电子

在超强磁场中!电子具有相对论的行为"

非正常单一量子状态!而且分子的运动可用光直接控制"目前对这项工作的研究已达到高潮"在数十飞秒的脉冲内!光电场只有几个周期!因此控制脉冲内电场的位相就能控制原子

$%%

和分子的反应"

因此!电磁场中产生电子动量的电子静止质量的损耗值用#$表示为

#$"$"’($$量&&为光速"

更为实用的表达式为

式中$为电子获得的动量&%$为电子的静止质

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飞秒激光的加工应用

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$4%

飞秒激光与物质的相互作用电子温度的弛豫时间

激光与物质的相互作用可按皮秒时间量度

激光强度超过*$*’012.#即#$5*时!则生成相对电子"电子的相对质量系数用$表示"电子的质量%"%$$&$"$*+%%+*1#&&")1&&)为电子$$#+*%*1#"的速度"由此可得到#$*

分为热过程和非热过程"临界时间取决于自由电子对晶格离子的弛豫时间!加热温度因对象物质而异"碰撞弛豫时间用电子"声子耦合参数进行计算!金属物质弛豫时间需达到数皮秒"用比碰撞弛豫时间长的脉冲激光照射物质!使电子和晶格离子处于平衡状态!从而达到相同温度而成为热过程"

另外!用比碰撞弛豫时间更短的激光照射!则电子温度处于比晶格离子温度高的非平衡状态"激光照射后晶格离子的加热才开始!这一过程为非热过程"图#给出了以铜为对象!用碰撞弛豫时间较短的*$:;脉冲照射表面时!电子温度和晶格离子温度经过的时间变

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飞秒激光在基础理论研究中的应用

超强度的应用

在高能物理及核物理方面!飞秒脉冲超强

电场的应用备受关注"如前所述!这种超强电场能够非常容易地产生相对电子并能对原子和分子直接’加工("用超过*$012.的光强照

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射目标时!能够获得高于*$678能量的电子!随之还产生高亮度的$射线"如果高能电子与谐波超强脉冲相互作用!则会产生高谐波的康

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将热影响降到最小状态"是进行微细加工的有效工具%

!%&%’多光子吸收过程

飞秒激光的第"个特征是"聚光后光强明

显增强并能形成强电磁场%例如&,&&"6"

!&&70的脉冲"光斑直径会聚到"&"+时"光强

达到!&!)859+""而脉宽为!&/0的激光要得到同样的光强则需要,&6的能量%

若用这样的高强度激光照射绝缘体和半导

图"

用碰撞弛豫时间较短的!&40脉冲照射铜时"电子温度$;和晶格离子温度$’的时间变化%

体"则会因多光子吸收过程而使处于价电子带上的电子向传导带跃迁"使传导电子增多"从而表现出一些金属的性质%

化情况!

#$"表面加工

飞秒激光在工业领域的主要用途是切割和

!"#"$热扩散长度

飞秒激光的一大特点是能减小物质的热扩

打孔%用脉宽!40以下的超短脉冲激光加工可称为飞秒加工"这种加工几乎无热影响区%图$是用飞秒激光加工钛金属孔的实例%加,#:

工边缘清晰"几乎无熔融区域%

散区!考虑到电子温度的冷却时间"用飞秒激光脉冲照射物质表面时"其热扩散长度!#用下式表示为

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加工特性

飞秒激光加工时"光强高且加工特性比较

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$为晶格离子的加热温度%例如&其中$’#*

用飞秒激光将铜加热接近熔点#$’$$+$!,)-*$’

复杂%为了表示这一特性"用横轴表示辐射通量"用纵轴表示加工速率#见图($%通过离散实验数据求出正确阈值几乎是不可能的"因此只有根据采样处的加工特性求阈值%

!#$,"./+%尤为注意的是"用脉宽!&/0的激

光加热时"热扩散区不可忽略"此时热扩散长度!12$!3)"+"比飞秒激光长!个数量级!12$#""&’45%’$&3)"’4为脉宽%由此可见"飞秒激光能

图,用纳秒脉冲#<$和飞秒脉冲#:$加工钛金属孔的比较图%

图(精磨率与激光辐射通量的依赖关系#物质&铜"波长&%&&/+$%

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可控精磨加工

实验证实!在产生热影响较小的飞秒加工中!加工孔形真实地反映出激光的光强分布"通常!加工时以激光辐射通量作为高速参数来控制加工孔形!而用加工痕迹的最深值表示加$%图’的实线对应照射激工速率&如图’所示

光的强度分布!曲线的形状反映了加工痕迹的形状%可以看出!飞秒激光加工产生的横向热扩散几乎可以忽略%利用这一特性并掌握激光强度分布规律!便可预测加工痕迹的形状%图

图!对金薄膜的微细加工&脉宽’)6673!波长’

"66$%$

飞秒激光具有能减小热影响区的特性!在进行超精密加工时利用最佳的光学系统!可使光斑直径变得更小!从而实现超精密加工"

图!是用精磨加工得到的金薄膜孔"孔径为!"#$%!孔径与激光光斑直径#!&!%$相比小很多%如果将加工参数调整到最佳状态!即可加工出更小的孔径"

(是根据图’的数据所预测的加工痕迹形状和

实验测得的加工痕迹形状的比较图!这两幅图吻合的比较好%

)*(!年!+,-$./0%利用红宝石激光进行半

导体缺陷分析时!在加工痕迹的底面意外地发现了波长大小的周期性结构%这种周期性结构能使入射光和等离子波&或散射波$在物质表面进行干涉而形成驻波%周期性结构的间隔!&)!3,$!$%与激光入射角!的关系式为!1"2

用飞秒激光照射时!在目标对象上能够形成周期性结构!但周期比激光波长还要短%图

4是经飞秒激光照射形成的周期性结构照片%

即使不用激光干涉图形!仅在目标对象上扫描加工点!也可形成大面积的衍射晶格结构%图

"是扫描激光加工点在(5%%"(6%%区域形成

图(

加工痕迹的预测和实验结果’&/$激光空间截面(#.$加工痕迹的截面#物质’铜!脉宽’4673!波长’"66$%$

图4接近精磨阈值所观测的周期性结构#/$)#%89脉冲!#.$:%82脉冲#物质’铜!脉宽’)6673!波长’"66$%$

图"

在(6%%"(6%%金属衬底上照射白光的照片%

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半导体退火处理

激光技术与应用

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飞秒激光使实验技术条件有了很大进步"同时促进了非热激光诱发结构变化研究的迅速发展!物质的结构因照射激光而变得不稳定"产生如下结果#

%激光使电量转换成离子的热运动&$!

’"%激光使多数电子脱离束缚状态"由于原子内部的斥力而造成瞬间的晶格变形"因此形成两种结构!

图#

对缝纫针前端的微细加工’脉宽#!&&/0"波长#2&&(%%

用准分子激光进行退火处理"使掺杂物的活性得到更好的发挥"同时控制激光的辐射

周期性结构的照片!由此可见"在整个照射区域光的衍射形成的彩色反射光的周期性结构很强!而周期性结构的方向取决于光的偏振方向"因此激光的电场成分对飞秒加工的影响很大!

为了研究周期性结构"用激光车床的原理在铜针的前端加工出细螺纹状的细线!图#是用扫描电子显微镜观察到的直径为$!%"长

图!&

基板上所捕获的铜微粒

"&&!%的螺旋形细线的照片"其螺距约"’&(%"深度约)&&(%!!"#"!

三维内部加工

飞秒激光能够在透明材料内部进行微细加工"而且不损伤材料表面!这种新加工技术得到了广泛关注"典型应用实例是高密度三维光存储器!*+,-,.用!&&/0"12&(%"

)&&(3的激光在玻璃内部加工出直径"&&(%的

轨迹形状"其记录密度超过!&*45678%$!如果选择更好的材料"则加工轨迹可以更小"数据存储密度更大!日本一研究者通过控制活性化离子的价数"研制出三维光存储器!用紫外线照射该物体"由飞秒激光写入的图像因9:;的还原而发出橙色光"而其他部分发蓝光!利用这一现象可以制成立体工艺品和波导型光开关等!

光机电信息!""#$!"

图!!

相干声子激励促进再结晶化和活性化过程的模式图!

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激光技术与应用

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显微镜把飞秒激光会聚成微小光点!利用激光产生的冲击波将分裂的细胞分离开的实验已经取得了成功%

在细胞’分子生物学研究领域!在不损伤细胞的条件下!将,-)导入细胞内的技术对于身体治疗具有重大意义%用飞秒激光将细胞膜开一个微孔!即可在不损伤细胞结构的情况下!将,-)导入各种哺乳类动物的细胞中%不论细胞的类型如何!都能正常导入!这一方法对评价遗传因子的机能也很有效%

通量!以抑制掺杂物的扩散"控制由熔融过程后再结晶时产生的缺陷而引起的电流泄漏的技术也得到了发展"此外!科学家们期待用飞秒激光实现促进因热非平衡状态引起的晶格振动和在约!"#$的浅层区域杂质离子的$%扩散#见图%"

!"!激光治疗

如果将人体体温&&’!$升高(!!蛋白

质将凝固而丧失生物机能!这说明身体物质对于温度上升极为敏感%飞秒激光的热影响很小!用它做手术刀不会损伤周围的其他组织%对于心肌梗塞’脊髓手术’近视矫正手术!飞秒激光将是理想的选择"用飞秒激光照射人的角膜!可以进行比)*+准分子激光更细微的视力矫正手术(利用激光的吸收性可以治疗龋齿几乎没有疼痛%

此外!飞秒激光还可对细胞进行操控%用

#结束语

飞秒激光不仅在高能物理’核物理领域有重大应用!而且在通信’医疗’环境和测量$等领域也将发挥重要作用%&-./0

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快速粮食成份光电分析仪

由长春光机所应用光学国家重点实验室研制的快速粮食成份光电分析仪是一种能够快速’准确地定量分析农产品&包括谷物’油料’饲料等$成份的仪器!是根据粮食在近红外光谱长波段吸收信息丰富!结合化学计量学及统计数学等手段可在极短的时间内同时获得样品的多种成份含量的原理而研制的%该仪器在分析样品时无需样品进行冗繁的化学预处理!样品制备简单快捷’无污染!在不超过五分钟的时间内即可完成粮食样品多种成分&如蛋白质’脂肪’淀粉’纤维’水分等$的同步测量!被称为是绿色的分析仪器%该类仪器已在国外粮食深加工生产的质量控制’粮油产品的品质监测’种子发放时的成分检测等方面得到较为广泛的使用%

快速粮食成份光电分析仪的研制!充分考虑到了国内近红外分析仪用户的使用要求!尤其在软件设计上完全符合中国人现实的工作方式和使用习惯%该仪器在吉林省农科院大豆所’吉林德大有限公司油脂厂和长春大成玉米开发有限公司进行实地应用示范!取得了很好的使用效果%该仪器的研制成功将使长期困扰我国农产品深加工生产的一个瓶颈问题得到解决%

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