技術(shù)的改進(jìn)已經(jīng)使超快激光器走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入工業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)執(zhí)行精準(zhǔn)細(xì)致的加工任務(wù)。超快激光器的成功之處在于其能將光能集中到皮秒至飛秒的時(shí)間間隔內(nèi)，并將光聚焦到小空間上。這種聚焦為“在不破壞底層區(qū)域的情況下，從材料表面快速、清潔地?zé)g材料”提供了所需要的高光強(qiáng)。
對(duì)加工像玻璃或陶瓷這樣的易碎材料，或者是在渦輪葉片這樣的硬質(zhì)金屬上清潔地鉆孔這樣的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種精確性和精細(xì)性的結(jié)合至關(guān)重要。這些優(yōu)勢(shì)已經(jīng)為超快激光器在醫(yī)療領(lǐng)域贏得了一席之地，其不但可用于制作精細(xì)的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，如用于冠狀動(dòng)脈搭橋手術(shù)中的支架；還能執(zhí)行精細(xì)的醫(yī)療手術(shù)，如角膜手術(shù)。
激光與材料的相互作用
功率強(qiáng)度和脈寬是影響激光束如何與材料相互作用的關(guān)鍵因素。在長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)，材料吸收一部分光能，將其轉(zhuǎn)換成熱量，熱量會(huì)通過(guò)材料傳導(dǎo)。如果光束足夠強(qiáng)，便能熔化材料，熔化的材料會(huì)將熱量傳遞到周圍區(qū)域。對(duì)于短至納秒級(jí)時(shí)間尺度的脈沖加工而言，吸收、熔化和熱傳導(dǎo)占主導(dǎo)地位。
當(dāng)脈沖能量以短于約100ps的時(shí)間尺度傳輸時(shí)，根據(jù)材料的不同情況會(huì)發(fā)生顯著變化。隨著脈沖峰值功率的增加，峰值強(qiáng)度急劇上升。例如，持續(xù)1ps的微焦級(jí)脈沖的峰值功率為1MW，當(dāng)它聚焦為5μm的光斑時(shí)，可產(chǎn)生約4×1012W/cm2的峰值強(qiáng)度，這足以剝離外層電子。激光與材料相互作用的時(shí)間是如此之短，以至于離子在能夠?qū)⒛芰總鲗?dǎo)到底層材料之前，就已經(jīng)從材料表面被燒蝕掉了。與光強(qiáng)較低的情況相比，在這種燒蝕模式下，能量傳導(dǎo)受材料吸收的影響較小，但是也會(huì)受到材料種類和激光波長(zhǎng)的影響。例如，紫外脈沖比近紅外脈沖更適合切割玻璃之類的透明材料，而近紅外脈沖在玻璃中的傳輸性能更好。
這種加工通常也被稱為“冷燒蝕”。雖然材料表面在片刻間就變得非常熱，但是離子在其加熱或損傷底層材料之前就已經(jīng)被燒蝕掉了，如圖1所示。因此皮秒或飛秒激光脈沖能夠從精細(xì)或易碎材料中無(wú)損去除非常薄的表層。波蘭研究人員已經(jīng)使用強(qiáng)度僅在燒蝕閾值之上的70ps脈沖去除油畫表面的透明清漆，并利用光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)監(jiān)控整個(gè)去除過(guò)程。美國(guó)Photonics Industries公司的Joyce Kilmer說(shuō)：“皮秒激光器能夠?qū)D案寫到火柴頭上，卻不會(huì)讓火柴點(diǎn)燃。”
圖1：納秒脈沖和飛秒脈沖加工效果的對(duì)比。左圖中的納秒脈沖在燒蝕前會(huì)熔化表面材料，并將熱量傳遞到鄰近區(qū)域，從而影響許多材料。右圖中的飛秒脈沖通過(guò)多光子離子化燒蝕材料，只有很少的熱量傳遞到鄰近的材料中。
一般而言，由于皮秒脈沖的能量通常更高，因此皮秒燒蝕的速度更快；相比之下，飛秒燒蝕往往會(huì)產(chǎn)生更平滑、更精密的加工表面。實(shí)際加工性能取決于脈沖參數(shù)、目標(biāo)材料以及其他方面的考慮。由于燒蝕是將一團(tuán)材料爆散到光路中，因此重復(fù)頻率是很重要的因素。對(duì)于兆赫茲的重復(fù)頻率，可能在下一個(gè)脈沖發(fā)射之前，上一個(gè)脈沖產(chǎn)生的材料還沒有足夠的時(shí)間消散。千赫茲的重復(fù)頻率有足夠的時(shí)間讓材料消散，所以對(duì)精密去除材料可能更加有效。
適用的材料
冷燒蝕加工適用于一系列材料，包括金屬、半導(dǎo)體、玻璃、晶體和陶瓷。冷燒蝕的典型能量密度閾值在0.05~5J/cm2的范圍內(nèi)，表1中給出了材料對(duì)摻鐿光纖激光器和鈦寶石激光器發(fā)射的飛秒脈沖的典型閾值。
超短脈沖對(duì)切割或加工易碎材料特別有吸引力，包括玻璃、陶瓷、硅和CIGS（用于薄膜太陽(yáng)能電池的銅銦鎵硒）。利用燒蝕鉆孔或切割玻璃可以避免產(chǎn)生裂縫，并獲得尖銳、清潔的邊緣和表面，如圖2所示。對(duì)于液晶顯示器或手機(jī)上使用的超薄玻璃，可以通過(guò)沿著一系列冷燒蝕激光孔洞對(duì)玻璃進(jìn)行機(jī)械擠壓切割成形。這是由于燒蝕是一種具有高閾值的非線性過(guò)程，經(jīng)過(guò)聚焦的脈沖，僅在焦斑的中心處的激光功率超過(guò)燒蝕閾值，這部分激光脈沖可以鉆出小于衍射極限的孔。
圖2：超快脈沖實(shí)現(xiàn)玻璃的精細(xì)加工。a）利用10μJ的355nm脈沖在玻璃上鉆出的440μm孔；b）利用355nm脈沖在Pyrex玻璃上銑出2mm的正方形區(qū)域。
薄膜加工的工藝過(guò)程更為復(fù)雜，例如加工硅基底上的石英。這對(duì)該應(yīng)用，德國(guó)Solar Energy Research Hameln研究所的研究人員表示，皮秒脈沖不是自上而下燒蝕石英，而是穿過(guò)透明的石英使硅基底熔化，然后蒸發(fā)足夠的熔化物使薄膜從基底上升起。因此其能量閾值取決于SiO2的厚度。
由于焦點(diǎn)處具有高得多的功率密度，通過(guò)高數(shù)值孔徑光學(xué)元件聚焦的皮秒脈沖，能夠在玻璃或其他透明材料內(nèi)部刻蝕結(jié)構(gòu)，而不會(huì)影響表面。例如，北京理工大學(xué)利用鈦寶石激光器的35fs脈沖，橫跨單模光纖纖芯刻寫出了長(zhǎng)周期的光纖布拉格光柵。該光柵在1465~1575nm的波段內(nèi)產(chǎn)生20dB的衰減。通過(guò)誘導(dǎo)體材料玻璃內(nèi)部的熔融石英波導(dǎo)的雙折射，加拿大多倫多大學(xué)制造出了2cm長(zhǎng)的波長(zhǎng)選擇性定向耦合器，消光比達(dá)24dB。他們認(rèn)為該分束器“有望為制造三維光電路中的偏振相關(guān)設(shè)備開辟新的方向”。
納米粒子和納米纖維
超快激光器也為脈沖激光沉積提供了新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。納秒激光脈沖已經(jīng)成為薄膜沉積的標(biāo)準(zhǔn)，但是它們會(huì)將10μm的顆粒濺射到薄膜上。當(dāng)愛爾蘭圣三一學(xué)院（Trinity College）的研究人員檢查納秒脈沖從銀靶上產(chǎn)生的流量時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)離子流量超過(guò)了沉積速率，這表明在表面產(chǎn)生了一些自濺射。然而，他們發(fā)現(xiàn)飛秒脈沖產(chǎn)生的離子流量只有沉積速率的1%，這表明大部分燒蝕材料形成了納米粒子其他研究表明，飛秒脈沖產(chǎn)生的納米粒子的大小取決于激光通量、氣體環(huán)境和加工材料。
加拿大Ryerson University的研究人員表示，飛秒脈沖容易產(chǎn)生大量致密、糾纏的石英納米纖維。將摻鐿光纖激光器發(fā)射的重復(fù)頻率為12.4MHz的214fs的脈沖序列，以1.17J/cm2的強(qiáng)度聚焦到硅上，可以產(chǎn)生四種類型的納米纖維絲。其中直徑最大的為幾百納米，長(zhǎng)度達(dá)10mm；最細(xì)的纖維直徑為幾十納米，長(zhǎng)度延伸到數(shù)百微米。然而，纖維的纏結(jié)使研究變得更加困難。
醫(yī)學(xué)應(yīng)用
超快脈沖能夠干凈地實(shí)現(xiàn)切割加工，并且不破壞周圍區(qū)域或形成粗糙的邊緣，這對(duì)加工醫(yī)學(xué)植入物和實(shí)施精細(xì)手術(shù)至關(guān)重要。
對(duì)于在動(dòng)脈阻塞中插入支架和伸縮管、打通動(dòng)脈以恢復(fù)血流來(lái)說(shuō)，光滑的表面尤其重要。人體有時(shí)會(huì)對(duì)植入物起反應(yīng)，在支架上生長(zhǎng)疤痕組織，這會(huì)重新阻塞動(dòng)脈。用超快激光器加工各種材料制成的支架，可以產(chǎn)生非常光滑的表面，從而減少了疤痕組織生長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。
在LASIK（激光原位角膜磨鑲術(shù)）屈光手術(shù)中，在角膜表面切割皮瓣以暴露內(nèi)部組織的應(yīng)用中，飛秒激光器也已成為標(biāo)準(zhǔn)工具。其主要吸引人之處在于能夠比傳統(tǒng)手術(shù)更準(zhǔn)確地切割皮瓣。
現(xiàn)在眼科醫(yī)生正在將飛秒激光技術(shù)擴(kuò)展到用于實(shí)施白內(nèi)障手術(shù)。其中的一個(gè)目的是軟化眼球晶狀體中引起白內(nèi)障的硬核，從而可以很容易地將其去除；另一個(gè)目的是實(shí)施去除眼球晶狀體所需的切割，并在對(duì)眼球其他部位傷害最小的情況下插入替換物。目前有三家公司正在研發(fā)可用于上述兩種手術(shù)的飛秒激光系統(tǒng)。
目前的研究結(jié)果非常鼓舞人心。在去年10月舉行的美國(guó)眼科學(xué)會(huì)會(huì)議上，邁阿密大學(xué)醫(yī)學(xué)院Bascom Palmer眼科研究所的研究人員報(bào)道說(shuō)，飛秒激光治療減輕了手術(shù)要求，并且減少了晶狀體去除過(guò)程中的超聲暴露。在同一次會(huì)議上，俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)的研究人員報(bào)道說(shuō)，飛秒激光手術(shù)避免了關(guān)鍵角膜內(nèi)皮細(xì)胞的損傷，而傳統(tǒng)的白內(nèi)障手術(shù)會(huì)造成這種損傷。
展望
超快激光加工在很大程度上歸功于皮秒激光器和飛秒激光器的產(chǎn)業(yè)化，從而使得非專業(yè)人員可以在工業(yè)和醫(yī)學(xué)環(huán)境中使用它們。到目前為止，超快激光器在一些特定應(yīng)用中已經(jīng)非常成功，但是其成本和材料去除速度方面仍然存在很大的局限性。然而無(wú)論如何，超快激光器在性能上的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于像醫(yī)療植入支架和精細(xì)眼科手術(shù)這樣高要求的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，還是非常引人注目的。
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