納秒激光的案例
納秒激光開槽的COMSOL模擬 ￥99
很多同學在用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。
內置PPT詳解文件。下圖是納秒激光開槽的示意圖。
納秒激光、皮秒激光、飛秒激光，你分得清嗎？
大家對激光加工并不陌生，但你對經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取得突飛猛進的發展。
▌ 超短脈沖激光的意義
人們很早就嘗試利用激光進行微加工。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蒸發，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量。
當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勢，短與超短脈沖激光器進入到工業生產應用當中。
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域，瞬間高能量密度沉積使電子吸收和運動方式發生變化，避免了激光線性吸收、能量轉移和擴散等影響，從根本上改變了激光與物質相互作用機制。
展開 利用層流兩相流、動網格模擬納秒激光的燒蝕作用 ￥4799
現在市面上有很多層流兩相流、水平集的激光燒蝕案例，但是幾乎沒有動網格的燒蝕案例，主要在于動網格的設置困難。
在COMSOL中，動網格由于不需要對空氣（氣體項）進行建模，所以相對應來說，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）采用動網格而不采用水平集。
市面上賣的動網格設置幾乎不正確（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格案例來幫助大家學習動網格。
模型主要采用 流體傳熱、層流和動網格模塊，很好的重復了 納秒 激光燒蝕材料的效果。
內置參考文獻和模型，加些實驗，發個二區SCI應該沒有問題。
展開 兩機葉片丨中科院寧波材料所：激光極端制造助力航空發動機氣膜孔高質量加工
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"先涂層后打孔"的優勢加工手段。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系，試驗結果表明：對涂層剝落損傷的影響程度由大到小依次為光斑重疊率、激光重復頻率、激光電流和水泵電壓，當光斑重疊率為98%、激光重復頻率相對低頻時，可以穩定地避免TBC水助激光加工很容易出現的涂層剝落損傷。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、激光重復頻率、水泵電壓和光斑重疊率。當優選激光器重復頻率為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化主效應圖
總體上，新一代水助激光加工技術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 
康考迪亞大學發明激光誘導側轉移技術
他們正在使用一種新的激光輔助技術，可以保持高水平的細胞活力和功能。
研究人員開發了一種稱為激光誘導側轉移 (LIST) 的新生物打印技術，通過使用不同粘度的生物墨水改進現有的生物打印技術，從而實現更好的3D打印。在文章中，他們證明了該技術可成功打印感覺神經元，這是周圍神經系統的重要組成部分。他們表示，這有利于生物打印潛力的長期發展，包括疾病建模、藥物測試和植入物制造。
△圖1. 激光誘導神經元側向轉移 (LIST) 打印系統示意（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系統的背根神經節 (DRG) 神經元來進行技術測試。神經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神經元的存活，但會減少神經突觸的生長。
然后，團隊進行了多次測試以測量打印細胞的容量。一項活力測定發現，打印兩天后，86%的細胞仍然存活。研究人員指出，當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，一些熱力學反應更可能損壞細胞。
△圖3. 打印過程對辣椒素引發的鈣內流的影響。
其他測試測量了神經突生長（其中發育中的神經元在響應指令時產生新的投射）、神經肽釋放、鈣成像和RNA測序?？傮w而言，結果總體表明這項技術可能對生物打印領域做出重要貢獻。
展開 RP 系列激光分析設計軟件 | 薄膜偏振器
偏振立方體的粘結界面使納秒激光脈沖的光學損傷閾值降低到1J/cm2量級。粘結與光學有關的無環氧偏振立方體，不需要膠合劑，可以承受數倍高的光通量。
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與波長有關，薄膜偏振器只能在有限的波長范圍和角度范圍內工作。不過，通過對薄膜設計的適當優化，可以在幾十甚至幾百納米的范圍內工作。然而，這種寬帶偏振器不能實現窄帶偏振器(激光線偏振器)的非常高的性能，窄帶偏振器針對窄波長范圍進行了優化。圖3顯示了中等工作帶寬為50nm的示例。
圖3：基于 TiO2/SiO2的薄膜偏振片立方體的反射率，使用 RP Coating 軟件進行設計，工作波段為600–650nm。
對于薄膜偏振器的涂層優化，類似的數值技術可以用于設計寬帶分束器或二向色鏡，例如。
薄膜偏振器的一個優點是它們可以制造出相當大的尺寸，這對于晶體(雙折射)偏振器來說更加困難。因此，可以在非常高的峰值功率電平下使用激光脈沖來操作這種高功率或高能設備。
展開 1T相MoSe2電極——高性能埋入式高頻超級電容器
在制作工藝上，首先采用液相機械剝離法將厚度微米級的二硒化鉬(MoSe2)粉末剝離成寡層二維納米片；其次，通過靜電噴涂技術在超薄金屬集流體上均勻沉積電極；繼而使用紫外納秒激光激光器（波長355 nm）將半導體相（2H相）MoSe2通過光化學過程轉化為金屬相（1T）材料。本文通訊作者為楊誠教授，江智、王洋、袁碩果為第一作者。
Figure 2 電容器單電極的加工過程。
(a) 液相機械剝離過程(b)靜電噴涂過程(c)激光誘導相轉變過程
金屬相MoSe2材料具備優異的導電性，有利于電子在二維材料薄膜上的傳輸。同時，利用二維材料具很大的比表面積和激光加工所引入的豐富的缺陷結構，有利于提高電解質離子的吸附脫附和高速穿梭。使得基于該1T相MoSe2電極構建的超級電容器同時實現了良好的高頻率響應以及高容量性能。在離子液體電解液中，基于金屬相MoSe2制備超級電容器實現了超長穩定性，在10 V/s掃速下經歷一百萬圈循環后，其容量仍然保持在121.4%。
Figure 3 超級電容器單電極的性能表征。
(a,b)1 V/s-10000 V/s掃速下的CV測試曲線 (c)放電電流隨掃速的變化曲線(d)容量隨掃速的變化
Figure 4 在不同的工作電壓下，embedded SC與其他常見的儲能器件關于能量密度和功率密度的比較
Figure 5 Embedded SC體現出優異的循環性能
利用激光加工的高效、精確的優點、結合成熟的微型元件的金印刷加工技術，根據SiP以及SoC的元器件的應用要求，研究人員制備出可埋入線路板的SC樣品。該工作中所用的技術均適合于大批量生產，從而具備良好的商用開發價值。
展開 武漢大學合作實現金屬納米晶芯片高速打印！
論文題為“Nanoscale Laser Metallurgy and Patterning in Air Using MOFs” （《空氣環境下基于MOF的納米金屬激光冶煉及圖案化》），被選為當期雜志封面，博士后江浩慶為論文的第一作者。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.9b00355
金屬納米晶粒是制備光電子器件的重要原料。但金屬納米晶?；钚愿?、極易被氧化，制備過程往往需要溶液、真空或惰性氣氛保護，因此制造工藝復雜，難以大規模應用。化學與分子科學學院鄧鶴翔教授與工業科學研究院程佳瑞教授團隊合作，采用金屬有機框架材料（Metal-organic Framework, MOF）作為原料，利用激光成功制備了顆粒大小均一的金屬納米晶粒。通過程序控制激光的開閉和光斑的移動實現了圖案的制備，僅數十秒即可打印出由金屬納米晶粒構成的晶圓級別大小的芯片，整個過程完全在空氣中進行，所需激光功率不到5瓦，非常適合規模化生產。
激光照射金屬有機框架材料（MOF）產生金屬納米晶粒及芯片打印
MOF由金屬與含碳有機配體構筑。目前大部分研究集中在MOF中有機成分上，而結構中豐富的金屬離子尚未充分利用。此項工作提出了激光納米金屬冶煉及圖案化方法（Nanoscale Laser Metallurgy and Patterning, 簡稱nano-LaMP）：以MOF為原料實現了空氣環境下的金屬納米顆粒制備和同步圖案打印。在反應過程中，MOF晶體內有序排列的金屬離子和有機配體分別作為金屬源和還原劑。納秒脈沖激光器則負責將能量精準地投送到指定位置，為金屬還原提供能量。
展開 光纖激光器已為新能源車市場做好準備
01 光纖激光器滿足成熟應用需求
對于新能源車行業中的許多不同的生產和制造過程而言，光纖激光器必不可少，特別是對于包括電池和電機的電力傳動系統的制造。電池的生產可分為電芯、模組和Pack裝配，其中很多所需的生產工藝，例如焊接、切割、打標和剝離等，都是使用功率范圍從幾瓦到幾千瓦的光纖激光器實現的。
焊接和切割
焊接和切割是新能源車制造（如鋰離子電池制造）中應用最廣泛的激光加工。電芯中的鋁箔和銅箔，必須被切割、分離。IPG的光纖激光器能夠滿足這項應用的所有要求：
高速加工
無毛刺
無余層區域的金屬暴露
切口處無熔融附著物
無熱影響區
光纖激光器遠程切割工藝的優點可歸功于脈沖光纖激光器的高光束質量和高脈沖重復頻率。IPG納秒脈沖光纖激光器，是滿足精密切割應用要求的理想選擇，同時也是打標和表面處理應用（如二維碼打標、端子漆層剝離）的理想工具。
光纖激光器能夠滿足新能源車生產加工過程中的多種焊接工藝要求。
展開 Comsol超快激光燒蝕模擬
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激光燒蝕模擬。
不一樣的干貨分享 | 碳化硅晶圓劃片技術
因此，這種傳統的低效加工方式已經逐漸被激光劃片取代。
2.2 激光全劃
激光劃片是利用高能激光束照射工件表面，使被照射區域局部熔化、氣化，從而達到去除材料，實現劃片的過程。激光劃片是非接觸式加工，無機械應力損傷，加工方式靈活，不存在刀具損耗和水污染，設備使用維護成本低。為避免激光劃透晶圓時損傷支撐膜，采用耐高溫燒蝕的 UV 膜。
目前，激光劃片設備采用工業激光器，波長主要有 1 064 nm、532 nm、355 nm 三種，脈寬為納秒、皮秒和飛秒級。理論上，激光波長越短、脈寬越短，加工熱效應越小，有利于微細精密加工，但成本相對較高。355 nm 的紫外納秒激光器因其技術成熟、成本低、加工熱效應小，應用非常廣泛。近幾年 1 064 nm 的皮秒激光器技術發展迅速，應用到很多新領域，獲得了很好的效果。
展開 
干貨分享 | 碳化硅晶圓劃片技術
因此，這種傳統的低效加工方式已經逐漸被激光劃片取代。
2.2 激光全劃
激光劃片是利用高能激光束照射工件表面，使被照射區域局部熔化、氣化，從而達到去除材料，實現劃片的過程。激光劃片是非接觸式加工，無機械應力損傷，加工方式靈活，不存在刀具損耗和水污染，設備使用維護成本低。為避免激光劃透晶圓時損傷支撐膜，采用耐高溫燒蝕的 UV 膜。
目前，激光劃片設備采用工業激光器，波長主要有 1 064 nm、532 nm、355 nm 三種，脈寬為納秒、皮秒和飛秒級。理論上，激光波長越短、脈寬越短，加工熱效應越小，有利于微細精密加工，但成本相對較高。355 nm 的紫外納秒激光器因其技術成熟、成本低、加工熱效應小，應用非常廣泛。近幾年 1 064 nm 的皮秒激光器技術發展迅速，應用到很多新領域，獲得了很好的效果。
展開 多個激光束的材料加工應用
圖4表示的是用一臺1 kW、脈寬為70ns的脈沖光纖激光器完整地清理AlSi涂層。激光器通過新型的方形操作光纖提供了高達100 mJ的脈沖能量（ 每mm2 的功率密度為7-10 J/cm2），以既精確又經濟的10 m/min的速度，清理厚度為30 μm的AlSi涂層。然后再用近紅外的千瓦級連續（CW）光纖激光器完成焊接工序，使高強度、輕量化的拼焊板可以供應給汽車制造行業。
圖4 高強鋼焊接時的AlSi涂層清理
具有高脈沖能量的光纖激光技術通過一根新型的方形光纖傳輸，高效清理AlSi涂層，獲得鋼材本體表面以強化焊接質量。
與采用2種具有不同芯徑的連續激光束的三光點釬焊不同，HSS 兩步焊接法先用高脈沖能量納秒級激光器激光燒蝕清理，然后再用高功率連續激光器焊接。我們接下來介紹的應用實例也是用兩步操作，但是我們將其拓展至亞納秒級領域并采用了兩種不同波長的激光器。
聚合物與金屬的焊接
焊接需要將兩邊基材在焊縫附近的區域熔化，這樣才能將兩者穩定的焊接在一起。焊接在金屬與金屬、聚合物與聚合物之間用用的最為廣泛。由于聚合物與金屬的熔點極為不同，兩種材料之間進行焊接不太可能。尋找聚合物與金屬之間的焊接方法依然是從消費電子到醫療設備等許許多多的行業探索的熱門工藝。近期使用光纖激光技術兩步工藝為該問題提供了解決方案，極具發展前景。
第一步，用一臺平均功率30 W、峰值功率400 kW的近紅外光纖激光器， 脈寬150 ps，進行金屬表面織構（如圖5a）。微觀研究顯示，激光照射熔化出納米級的表層，迅速形成精細的大表面積適合后道焊接工序的結狀結構。這些織構表面的重要之處在于他們可以形成于黑色金屬，甚至是銅等高反金屬（如圖5b）。資深的焊工知道，均勻的深色表面的工藝空間最大，因為反射率的變化會影響激光器在高反金屬上的能量閾值。
展開 衍射光學：超短激光脈沖如何影響光束整形光學
作者：ISRAEL GROSSINGER, SHLOMIT KATZ, NATAN KAPLAN, and ALEX SKLIAR
光學仿真工具可以全面剖析超短激光脈沖如何影響衍射光學元件的光束整形特性和能力。
隨著超短脈沖（USP）激光器（也稱為超快激光器）在工業應用中變得越來越普遍，特別是當納秒脈沖USP激光器被更快的飛秒器件取代，使用衍射光學元件（DOE）的光束整形應用變得更具挑戰性。
VirtualLab是由LightTrans International(Jena, Germany; www.lighttrans.com)開發的物理光學仿真工具，可以用于大多數DOE元件（包括分束器和光束整形器）的仿真，利用這款軟件，我們在Holo / Or的團隊研究了USP激光器對DOE功能的影響。研究發現盡管對于大多數光束整形器來說，DOE的影響可以忽略，但對于諸如基于光柵的DOE之類的大角度分束器，可以看到顯著的且不期望的色散效果。
圖1. 對于m = 1且輸入光束直徑為4 mm的渦旋透鏡元件（a），對輸入800 nm高斯脈沖得到的結果（b）和輸入100 fs USP激光脈沖得到的結果（c）進行比較，沒有明顯差異。
DOE基礎知識
對于許多應用而言，DOE可以用于產生一些傳統的反射或折射光學元件無法達到的獨特光學功能，在系統配置方面更加靈活。與折射解決手段相比，DOE具有很多優勢，包括尺寸小、單個元件具有多種功能、角度精度高、厚度小和相比于折射解法時間色散較小等。
操作原理非常簡單：對于準直入射光束，輸出光束以預先設計的分離角度和強度出射DOE，通過光束整形器，激光束被聚焦成設計好的尺寸和形狀。
展開 衍射光學：超短激光脈沖如何影響光束整形光學
作者：ISRAEL GROSSINGER, SHLOMIT KATZ, NATAN KAPLAN, and ALEX SKLIAR
文章來源：Laser Focus World激光聚焦世界http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-53/issue-09/features/diffractive-optics-how-ultrashort-laser-pulses-influence-beam-shaping-optics.html
光學仿真工具可以全面剖析超短激光脈沖如何影響衍射光學元件的光束整形特性和能力。
隨著超短脈沖（USP）激光器（也稱為超快激光器）在工業應用中變得越來越普遍，特別是當納秒脈沖USP激光器被更快的飛秒器件取代，使用衍射光學元件（DOE）的光束整形應用變得更具挑戰性。
VirtualLab是由LightTrans International(Jena, Germany; www.lighttrans.com)開發的物理光學仿真工具，可以用于大多數DOE元件（包括分束器和光束整形器）的仿真，利用這款軟件，我們在Holo / Or的團隊研究了USP激光器對DOE功能的影響。研究發現盡管對于大多數光束整形器來說，DOE的影響可以忽略，但對于諸如基于光柵的DOE之類的大角度分束器，可以看到顯著的且不期望的色散效果。
圖1. 對于m = 1且輸入光束直徑為4 mm的渦旋透鏡元件（a），對輸入800 nm高斯脈沖得到的結果（b）和輸入100 fs USP激光脈沖得到的結果（c）進行比較，沒有明顯差異。
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