納秒激光
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-10-27
納秒激光的實例教程
納秒激光開槽的COMSOL模擬 ￥99
很多同學(xué)在用COMSOL模擬脈沖激光時，總會遇到這樣或那樣的不收斂問題，作者以一個COMSOL模擬納秒激光開槽為例，來指出COMSOL中的限制問題。
內(nèi)置PPT詳解文件。下圖是納秒激光開槽的示意圖。
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>激光進行微加工。但是由于激光的長脈沖寬度和低激光強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間作用到材料上時，加工效果會發(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動方式發(fā)生變化，避免了激光線性吸收、能量轉(zhuǎn)移和擴散等影響，從根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用機制。
展開 現(xiàn)在市面上有很多層流兩相流、水平集的激光燒蝕案例，但是幾乎沒有動網(wǎng)格的燒蝕案例，主要在于動網(wǎng)格的設(shè)置困難。
在COMSOL中，動網(wǎng)格由于不需要對空氣（氣體項）進行建模，所以相對應(yīng)來說，相同的模型需要的計算資源較少，所以很多課題組，在模擬激光燒蝕時（需要很多計算資源）采用動網(wǎng)格而不采用水平集。
市面上賣的動網(wǎng)格設(shè)置幾乎不正確（就像水平集的二道販子一樣，我這里也有幾個）。
這里我有償提供一個動網(wǎng)格案例來幫助大家學(xué)習(xí)動網(wǎng)格。
模型主要采用 流體傳熱、層流和動網(wǎng)格模塊，很好的重復(fù)了 納秒 激光燒蝕材料的效果。
內(nèi)置參考文獻和模型，加些實驗，發(fā)個二區(qū)SCI應(yīng)該沒有問題。
展開 干式納秒激光（左圖）和水助納秒激光（右圖）加工孔的對比圖
為了提升渦輪發(fā)動機的整體性能和可靠性，需要在帶熱障涂層（TBC）的單晶高溫合金渦輪葉片上制備大量的氣膜冷卻孔，激光加工是實現(xiàn)"先涂層后打孔"的優(yōu)勢加工手段。采用水助激光掃描加工方法，該團隊通過正交試驗和單因素試驗研究了各因素對TBC損傷程度和TBC材料去除率的影響關(guān)系，試驗結(jié)果表明：對涂層剝落損傷的影響程度由大到小依次為光斑重疊率、激光重復(fù)頻率、激光電流和水泵電壓，當(dāng)光斑重疊率為98%、激光重復(fù)頻率相對低頻時，可以穩(wěn)定地避免TBC水助激光加工很容易出現(xiàn)的涂層剝落損傷。初步分析，這里的主要原因是周邊氣泡的合理控制。
圖7. 采用水助激光掃描加工方法，通過正交試驗和單因素試驗研究了各因素對TBC損傷程度和TBC材料去除率的影響關(guān)系
對TBC材料去除率的影響程度由大到小依次為激光電流、激光重復(fù)頻率、水泵電壓和光斑重疊率。當(dāng)優(yōu)選激光器重復(fù)頻率為15 kHz、光斑重疊率為80%左右時時，TBC材料去除效率最高。
圖8. 涂層材料去除率正交優(yōu)化主效應(yīng)圖
總體上，新一代水助激光加工技術(shù)較好地解決了高能量激光可靠耦合的問題，擴展了耦合功率范圍，將水助激光的加工能力進一步提升，同時較好解決了電加工和飛秒激光加工在單晶金屬孔加工方面的熱影響問題。
展開 他們正在使用一種新的激光輔助技術(shù)，可以保持高水平的細胞活力和功能。
研究人員開發(fā)了一種稱為激光誘導(dǎo)側(cè)轉(zhuǎn)移 (LIST) 的新生物打印技術(shù)，通過使用不同粘度的生物墨水改進現(xiàn)有的生物打印技術(shù)，從而實現(xiàn)更好的3D打印。在文章中，他們證明了該技術(shù)可成功打印感覺神經(jīng)元，這是周圍神經(jīng)系統(tǒng)的重要組成部分。他們表示，這有利于生物打印潛力的長期發(fā)展，包括疾病建模、藥物測試和植入物制造。
△圖1. 激光誘導(dǎo)神經(jīng)元側(cè)向轉(zhuǎn)移 (LIST) 打印系統(tǒng)示意（A左）和生物油墨噴射（高速成像A右）。打印后1小時，帶有DRG神經(jīng)元的液滴。比例尺 = 50 μM ( B , C )。
可行且實用
研究人員使用小鼠周圍神經(jīng)系統(tǒng)的背根神經(jīng)節(jié) (DRG) 神經(jīng)元來進行技術(shù)測試。神經(jīng)元懸浮在生物墨水溶液中，并加載到生物相容性基材上方的方毛細管中。低能納秒激光脈沖聚焦在毛細管中部，產(chǎn)生微氣泡膨脹并將充滿細胞的微射流噴射到其下方的基底上。將樣品短暫孵育，然后洗滌并重新孵育48 小時。
△圖2. 生物打印不會影響DRG神經(jīng)元的存活，但會減少神經(jīng)突觸的生長。
然后，團隊進行了多次測試以測量打印細胞的容量。一項活力測定發(fā)現(xiàn)，打印兩天后，86%的細胞仍然存活。研究人員指出，當(dāng)使用較低能量的激光時，存活率會提高。較高激光能量使用時，一些熱力學(xué)反應(yīng)更可能損壞細胞。
△圖3. 打印過程對辣椒素引發(fā)的鈣內(nèi)流的影響。
其他測試測量了神經(jīng)突生長（其中發(fā)育中的神經(jīng)元在響應(yīng)指令時產(chǎn)生新的投射）、神經(jīng)肽釋放、鈣成像和RNA測序。總體而言，結(jié)果總體表明這項技術(shù)可能對生物打印領(lǐng)域做出重要貢獻。
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納秒激光的最新內(nèi)容
隨著超短脈沖（USP）激光器（也稱為超快激光器）在工業(yè)應(yīng)用中變得越來越普遍，特別是當(dāng)納秒脈沖USP激光器被更快的飛秒器件取代，使用衍射光學(xué)元件（DOE）的光束整形應(yīng)用變得更具挑戰(zhàn)性。
偏振立方體的粘結(jié)界面使納秒激光脈沖的光學(xué)損傷閾值降低到1J/cm2量級。粘結(jié)與光學(xué)有關(guān)的無環(huán)氧偏振立方體，不需要膠合劑，可以承受數(shù)倍高的光通量。
圖2:基于兩個45°棱鏡之間薄膜涂層的偏振立方體。
由于多層膜中的干涉效應(yīng)與波長有關(guān)，薄膜偏振器只能在有限的波長范圍和角度范圍內(nèi)工作。不過，通過對薄膜設(shè)計的適當(dāng)優(yōu)化，可以在幾十甚至幾百納米的范圍內(nèi)工作。
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現(xiàn)激光燒蝕模擬。
干式納秒激光（左圖）和水助納秒激光（右圖）加工孔的對比圖
為了提升渦輪發(fā)動機的整體性能和可靠性，需要在帶熱障涂層（TBC）的單晶高溫合金渦輪葉片上制備大量的氣膜冷卻孔，激光加工是實現(xiàn)"先涂層后打孔"的優(yōu)勢加工手段。
隨著超短脈沖（USP）激光器（也稱為超快激光器）在工業(yè)應(yīng)用中變得越來越普遍，特別是當(dāng)納秒脈沖USP激光器被更快的飛秒器件取代，使用衍射光學(xué)元件（DOE）的光束整形應(yīng)用變得更具挑戰(zhàn)性。
355 nm 的紫外納秒激光器因其技術(shù)成熟、成本低、加工熱效應(yīng)小，應(yīng)用非常廣泛。近幾年 1 064 nm 的皮秒激光器技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用到很多新領(lǐng)域，獲得了很好的效果。
很多同學(xué)在用COMSOL模擬脈沖激光時，總會遇到這樣或那樣的不收斂問題，作者以一個COMSOL模擬納秒激光開槽為例，來指出COMSOL中的限制問題。
內(nèi)置PPT詳解文件。下圖是納秒激光開槽的示意圖。
模型主要采用 流體傳熱、層流和動網(wǎng)格模塊，很好的重復(fù)了 納秒 激光燒蝕材料的效果。
內(nèi)置參考文獻和模型，加些實驗，發(fā)個二區(qū)SCI應(yīng)該沒有問題。
355 nm 的紫外納秒激光器因其技術(shù)成熟、成本低、加工熱效應(yīng)小，應(yīng)用非常廣泛。近幾年 1 064 nm 的皮秒激光器技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用到很多新領(lǐng)域，獲得了很好的效果。
低能納秒激光脈沖聚焦在毛細管中部，產(chǎn)生微氣泡膨脹并將充滿細胞的微射流噴射到其下方的基底上。將樣品短暫孵育，然后洗滌并重新孵育48 小時。
△圖2. 生物打印不會影響DRG神經(jīng)元的存活，但會減少神經(jīng)突觸的生長。
然后，團隊進行了多次測試以測量打印細胞的容量。一項活力測定發(fā)現(xiàn)，打印兩天后，86%的細胞仍然存活。
