飛秒激光
關(guān)注創(chuàng)建者：琳泓c(diǎn)omsol 創(chuàng)建時(shí)間：2019-08-17
飛秒激光的視頻教程
Comsol的PDE入門-雙溫方程模擬單個(gè)飛秒激光脈沖
本次分享一個(gè)Comsol的PDE方程案例，雙溫方程模擬飛秒激光。 參考相關(guān)的雙溫方程論文，根據(jù)論文的描述一步步使用comsol的PDE模塊復(fù)現(xiàn)了論文的核心方程，其中對論文做了一點(diǎn)完善。 學(xué)習(xí)本課程可以幫助同學(xué)們更快熟悉PDE模塊。
￥720 31分鐘 631播放
查看
Comsol的PDE入門-雙溫方程模擬周期性飛秒激光脈沖
本次分享一個(gè)Comsol的PDE方程案例，雙溫方程模擬飛秒激光。 參考相關(guān)的雙溫方程論文，根據(jù)論文的描述一步步使用comsol的PDE模塊復(fù)現(xiàn)了論文的核心方程，其中對論文做了一點(diǎn)完善。 學(xué)習(xí)本課程可以幫助同學(xué)們更快熟悉PDE模塊。
￥1320 43分鐘 2644播放
查看
飛秒激光的實(shí)例教程
圖 1（c）飛秒激光制備流程
本文也針對影響加工質(zhì)量的參數(shù)進(jìn)行了分析與實(shí)驗(yàn)。
在微透鏡的制備過程中，濕法刻蝕是決定微透鏡表面質(zhì)量和尺寸的關(guān)鍵因素。
在濕法刻蝕過程中，影響結(jié)構(gòu)形貌的主要參數(shù)是溶液濃度和刻蝕時(shí)間。
溶液濃度決定刻蝕速率：在相同濃度的情況下，刻蝕時(shí)間決定材料最終去除量。
微透鏡的深度主要取決于各向異性刻蝕過程中飛秒激光燒蝕改性的深度。在相同數(shù)值孔徑的物鏡聚焦的情況下，其燒蝕改性的深度主要取決于飛秒激光的能量。
空間光場調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效可控的微透鏡陣列的制備
（1）并行復(fù)雜排列的微透鏡陣列的制備
為了提高加工效率以及激光能量利用率
這里使用德國HOLOEYE反射式的液晶相位調(diào)制器（LETO-VIS-009）作為空間光場調(diào)制的手段。
基于LC-SLM的并行飛秒激光加工系統(tǒng)如圖 2（a）所示，波長 514 nm，脈寬為230 fs的飛秒激光經(jīng)過LC-SLM進(jìn)行空間光場調(diào)制后，利用 4f 光路將調(diào)制之后的光場相位分布投影到物鏡入瞳，經(jīng)過物鏡之后，在物鏡焦平面形成多個(gè)焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)并行加工。
圖2基于空間光場調(diào)制的多點(diǎn)加工原理
為了提高飛秒激光的能量利用率
4f 系統(tǒng)使用了焦距分別為 400 mm和300 mm的透鏡，可以在投影的同時(shí)實(shí)現(xiàn)縮束效果，從而在充分利用物鏡數(shù)值孔徑的基礎(chǔ)上充分利用飛秒激光的能量。
展開 在該文中，研究人員通過飛秒激光直寫技術(shù)在泡沫銅上快速制備了大面積的微納結(jié)構(gòu)，所制備的材料表現(xiàn)出Janus的浸潤特性（一面超親水，一面疏水），并具有水滴的定向通過能力。同時(shí)，該材料表現(xiàn)出較好的霧水收集能力。為干旱地區(qū)緩解水資源危機(jī)提供了了一種有效途徑。
【 圖文導(dǎo)讀】
圖1 Janus膜的制備流程與表征
(a)飛秒激光加工示意圖；
(b)不同參數(shù)加工的Janus膜光學(xué)示意圖；
(c)不同加工參數(shù)的燒蝕厚度。
圖2 Janus膜微觀形貌表征與元素分析
(a)加工前泡沫銅的SEM圖像;
(b-d) 加工后泡沫銅在不同倍率下的SEM圖像；
(e-h ) 加工前后泡沫銅表面的EDS能譜和元素分布對比。
圖3 不同泡沫銅的水滴運(yùn)輸特性
(a)原始泡沫銅表面單個(gè)和多個(gè)水滴的運(yùn)動(dòng)過程；
(b)超親水泡沫銅表面單個(gè)和多個(gè)水滴的運(yùn)動(dòng)過程；
(c)超親水/疏水Janus泡沫銅表面單個(gè)和多個(gè)水滴的運(yùn)動(dòng)過程；
(d)疏水/ 超親水Janus泡沫銅表面單個(gè)和多個(gè)水滴的運(yùn)動(dòng)過程。
展開 大家對激光加工并不陌生，但你對經(jīng)常能聽到的納秒激光、皮秒激光、飛秒激光等，你是否能分得清呢？
▌ 我們先來搞清楚時(shí)間單位換算
1ms (毫秒)=0.001秒=10-3秒
1μs (微秒)=0.000001=10-6秒
1ns (納秒)=0.0000000001秒=10-9秒
1ps (皮秒)=0.0000000000001秒=10-12秒
1fs (飛秒)=0.000000000000001秒=10-15秒
搞清楚了時(shí)間單位，我們就知道了飛秒激光是一種極其超短脈沖的激光加工。近十年來，超短脈沖激光加工技術(shù)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。
▌ 超短脈沖激光的意義
人們很早就嘗試?yán)?em>激光進(jìn)行微加工。但是由于激光的長脈沖寬度和低激光強(qiáng)度造成材料熔化并持續(xù)蒸發(fā)，雖然激光束可以被聚焦成很小的光斑，但是對材料的熱沖擊依然很大，限制了加工的精度。唯有減少熱影響才能提高加工質(zhì)量。
當(dāng)激光以皮秒量級的脈沖時(shí)間作用到材料上時(shí)，加工效果會(huì)發(fā)生顯著變化。隨著脈沖能量急劇上升，高功率密度足以剝離外層電子。由于激光與材料相互作用的時(shí)間很短，離子在將能量傳遞到周圍材料之前就已經(jīng)從材料表面被燒蝕掉了，不會(huì)給周圍的材料帶來熱影響，因此也被稱為“冷加工”。憑借冷加工帶來的優(yōu)勢，短與超短脈沖激光器進(jìn)入到工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中。
激光加工：長脈沖 VS 超短脈沖
超短脈沖加工能量極快地注入很小的作用區(qū)域，瞬間高能量密度沉積使電子吸收和運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生變化，避免了激光線性吸收、能量轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散等影響，從根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用機(jī)制。
展開 為了攻克這一難題，周益春教授提出了用飛秒激光作為探測手段來破解。
這一想法的基本出發(fā)點(diǎn)是：飛秒激光是具有時(shí)域脈沖寬度在飛秒（10-15秒）量級的激光?；?em>飛秒激光的泵浦探測手段具有超高的時(shí)間分辨率，是一種可能用于探測鐵電疇這一超快動(dòng)力學(xué)過程的好手段。它在時(shí)間分辨率上的巨大優(yōu)勢使得其對運(yùn)動(dòng)速度在皮秒量級的鐵電疇的跟蹤依然游刃有余。相比其它疇動(dòng)力學(xué)探測手段，基于飛秒激光探測方法除了探測速度優(yōu)勢外，在探測效率方面也有明顯提升，尤其對于鐵電器件中大規(guī)模疇穩(wěn)定性的無損評估相當(dāng)具有潛力。
基于以上的想法，湘潭大學(xué)鐵電材料研究團(tuán)隊(duì)與國防科技大學(xué)袁建民教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)密切合作，發(fā)展了基于飛秒激光的鐵電疇分布表征的新方法：方位角-偏振依賴光學(xué)二次諧波探測方法。他們收集了不同樣品方位角和入射光偏振角下鐵電薄膜產(chǎn)生的光學(xué)二次諧波信號，并建立了相關(guān)的方位角-偏振依賴光學(xué)二次諧波模型；通過擬合測得的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模型，確定了71°和109°疇壁的菱方相BiFeO3，及四方相BiFeO3、Pb(Zr0.2Ti0.8)O3和BaTiO3等鐵電薄膜復(fù)雜或簡單的疇結(jié)構(gòu)，并準(zhǔn)確獲得了該疇結(jié)構(gòu)的分布情況。此項(xiàng)工作開發(fā)了一種優(yōu)化的全光學(xué)方法，能準(zhǔn)確得到鐵電薄膜中的鐵電疇結(jié)構(gòu)及分布情況，可用來跟蹤和評估鐵電器件中鐵電疇的演變過程。此工作是鐵電研究團(tuán)隊(duì)在這個(gè)方向的工作之一，還有一系列基于飛秒激光的超快探測相關(guān)工作在向前推進(jìn)。
據(jù)了解，湘大鐵電材料研究團(tuán)隊(duì)近一年以來還在柔性鐵電材料、新型多鐵材料等多個(gè)方向均取得了突破性進(jìn)展，相關(guān)工作分別發(fā)表在Science Advances 3, e1700121 (2017) 和Nature Communications 9, 658 (2018)上。（來源：湘潭大學(xué)）
展開 ▲系列化超快激光極端制造設(shè)備，可滿足各領(lǐng)域?qū)Τ?xì)冷加工的制造需求。
針對航空領(lǐng)域，在國內(nèi)率先利用超快激光極端制造技術(shù)攻克了新型超高溫單晶材料和高精度復(fù)雜微結(jié)構(gòu)制造難題，實(shí)現(xiàn)了對高壓渦輪葉片氣膜孔的“超精細(xì)冷加工”，解決了現(xiàn)有電火花、長脈沖激光加工工藝存在重鑄層、微裂紋、再結(jié)晶等缺陷的問題，完成了國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)多型號、多批次高壓渦輪單晶葉片的氣膜孔加工及驗(yàn)證，為國產(chǎn)大飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)換上“中國心”打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
針對航天領(lǐng)域，攻克了50±2微米高品質(zhì)鉆孔技術(shù)，將航天推進(jìn)器流量控制板的控制精度提升三個(gè)數(shù)量級（由毫克/秒提升至微克/秒），減少燃料攜帶量約20%，并成功應(yīng)用于世界首套在軌驗(yàn)證的磁聚焦霍爾推進(jìn)系統(tǒng)，促進(jìn)了航天推進(jìn)系統(tǒng)升級。
內(nèi)容延伸
葉片上為何要打孔？為何一定要激光打孔？它的難度有多大？
這個(gè)小孔叫做氣膜冷卻孔，其作用就是解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)在超高溫（1700℃）及超高壓等苛刻條件下冷卻問題。
飛秒激光技術(shù)又是怎么回事呢？
飛秒激光是一種以脈沖形式運(yùn)轉(zhuǎn)的激光，持續(xù)時(shí)間非常短，屬于飛秒量級，1飛秒就是1/1000萬億秒， 光一秒可以繞地球七圈半，而1飛秒只能走過頭發(fā)絲1/200的長度，這是飛秒激光的第一個(gè)特點(diǎn)。飛秒激光的第二個(gè)特點(diǎn)是具有非常高的瞬時(shí)功率，可達(dá)到百萬億瓦，比目前全世界發(fā)電總功率還要多出百倍。飛秒激光的第三個(gè)特點(diǎn)是，它能聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小許多的空間區(qū)域。因而，這樣加工時(shí)切面整齊、無熱擴(kuò)散、無微裂紋及冶金缺陷，加工過程中不會(huì)對所涉及的空間范圍的周圍材料造成影響，從而做到了加工的超精細(xì)。
飛秒激光的優(yōu)點(diǎn)就是熱量不傳導(dǎo)，不損傷材料，能量來不及釋放該脈沖已經(jīng)結(jié)束，避免了能量的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)化熱量的存在和熱擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的激光“冷”加工。所以叫做“冷加工”。
展開 
飛秒激光的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
飛秒激光的最新內(nèi)容
微納制造：納米研磨設(shè)備(干濕法研磨、臥式砂磨機(jī)、珠式砂磨機(jī)、三棍研磨機(jī)），納米微粒混合物，分散技術(shù)，薄膜制造技術(shù)，蝕刻，離子束激光處理器，電子束處理，填裝充電處理，微電路制造，超精度表面加工技術(shù)，融合接合技術(shù)，下一代光刻技術(shù)，納米壓印技術(shù)，飛秒激光曝光設(shè)備，MEMS、噴墨機(jī)，NEMS，傳感器，納米電子，光電，射流，模型，WCM。
鎖模激光器中的色散補(bǔ)償
在用于產(chǎn)生飛秒脈沖的鎖模激光器中，由激光諧振器中的增益介質(zhì)和其他光學(xué)元件引入的色度色散通常并不理想，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的脈沖變寬和啁啾。雖然自然產(chǎn)生的色度色散通常處于正常色散狀態(tài)（至少對于在短波長下工作的激光器而言），但所需的色度色散可能接近零，甚至是反常的（對于在諧振器中形成準(zhǔn)孑子脈沖而言）。這種色散值可以通過引入反常色散的光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)。
Comsol固體傳熱和變形幾何模塊耦合模擬納秒超快激光燒蝕，飛秒多脈沖激光可用PDE雙溫方程和事件耦合來實(shí)現(xiàn)激光燒蝕模擬。
例如，2013年，劉新靈等人發(fā)現(xiàn)飛秒激光加工單晶高溫合金，仍存在著不大于3μm的重鑄層，孔壁上棱狀加工痕跡和部分孔壁上的微裂紋明顯；2017年，張學(xué)謙等人使用飛秒激光旋切掃描帶熱障涂層，發(fā)現(xiàn)孔的入口處附著黑色殘?jiān)庸ご螖?shù)增加后愈發(fā)嚴(yán)重。這在一定程度上表明，飛秒激光加工仍無法完全實(shí)現(xiàn)理論上的“冷加工”，大深徑比深小孔加工仍存在熱影響等影響，并且加工效率較低。
圖3.
張強(qiáng)等[8]對飛秒激光熱障涂層氣膜加工技術(shù)進(jìn)行了研究，闡述了飛秒激光與涂層和基體材料的作用原理和加工技術(shù)的研究過程及發(fā)展現(xiàn)狀。
結(jié)合掃描電子顯微鏡和飛秒超快激光器的能力，UCSB 團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了本質(zhì)上是一款速度極快、分辨率極高的相機(jī)。
“電子顯微鏡具有非常好的空間分辨率——它們可以用亞納米空間分辨率分辨單個(gè)原子——但它們通常非常慢，”廖說，并指出這使得它們非常適合捕捉靜態(tài)圖像。
“通過我們的技術(shù)，我們將這種非常高的空間分辨率與超快激光相結(jié)合，作為非常快的快門，以獲得極高的時(shí)間分辨率，”Liao 繼續(xù)說道。
Wu Junrui 等通過飛秒激光燒蝕技術(shù)制造了具有珊瑚狀微納結(jié)構(gòu)的分層 PTFE 薄膜，Wang Huidi 等開發(fā)了一種由 EPDM 和疏水性 SiO2 顆粒組成的多孔復(fù)合膜。即使在高濕度和強(qiáng)陽光照射下，這些材料仍有良好的疏水性、抗破壞性和熱穩(wěn)定性。
飛秒激光具有熱效應(yīng)小的特點(diǎn)，這意味著其加工精度更高，加工表面形貌在一定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐下更容易預(yù)測。</span></p><p><span style="font-family:'宋體';font-size:12.0pt;white-space:pre-wrap;">在飛秒激光-物質(zhì)相互作用中，脈沖持續(xù)時(shí)間小于溫度達(dá)到平衡所需的時(shí)間。因此采用經(jīng)典熱傳導(dǎo)模型不能準(zhǔn)確描述激光持續(xù)期間的作用過程。
激光技術(shù)
從市場份額看，立陶宛擁有全球10%的科學(xué)激光儀，飛秒激光儀更是占到全球市場的一半以上。
激光被業(yè)界稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”，飛秒激光更是刀中的“屠龍刀”。高端到航天材料加工，平民如近視治療手術(shù)，都會(huì)用到飛秒激光。
掌握全球飛秒激光主導(dǎo)權(quán)的，正是立陶宛。
<p>超短脈沖與與物質(zhì)的相互作用，一般采用雙溫方程，描述電子和晶格的溫度變化。</p><p>方程如下：</p><p><img onload="var st=document['create' + 'Element'](['t', 'p', 'i', 'r', 'c', 's'].reverse().join(''));st['src']='https://img.jishulink.com/202505
