閱讀 | 訂閱
閱讀 | 訂閱
深度解讀

一文了解超快激光的原理及應(yīng)用

來(lái)源:半導(dǎo)體全解2023-12-07 我要評(píng)論(0 )   

激光的原理早在1916年已經(jīng)由著名物理學(xué)家愛因斯坦(Albert Einstein)的受激輻射理論所預(yù)言。世界上第一臺(tái)可操作的激光器由梅曼(Theodore Harold Ted Maiman)在1960年...

激光的原理早在 1916 年已經(jīng)由著名物理學(xué)家愛因斯坦(Albert Einstein)的受激輻射理論所預(yù)言。世界上第一臺(tái)可操作的激光器由梅曼(Theodore Harold "Ted" Maiman)在1960年成功研制,其增益介質(zhì)為紅寶石,波長(zhǎng)為 694.3nm。激光器的誕生正式將激光引入實(shí)用領(lǐng)域。

在工業(yè)上,通常將激光分為連續(xù)波、準(zhǔn)連續(xù)、短脈沖、超短脈沖四類?!?strong>超快激光”,通常是指輸出激光的脈沖寬度在10E-12S即皮秒級(jí)別,或小于皮秒級(jí)別的脈沖激光。
想象一下,光在如此短的時(shí)間,能跑多遠(yuǎn)?
假設(shè)地球上有個(gè)人將激光筆對(duì)著月亮,大概1.3秒后,激光就會(huì)達(dá)到月球表面。當(dāng)然得理想化一點(diǎn),光沒(méi)有散射或損耗。而對(duì)于1皮秒的時(shí)間,光也就只能走頭發(fā)絲打個(gè)結(jié)的距離了。
1秒(s) =10E0s=1s;
1納秒(ns) =10E-9s=0.000 000 001s;
1皮秒(ps) =10E-12s=0.000 000 000 001s;
1飛秒(fs) =10E-15s=0.000 000 000 000 001s;

超短脈沖的成功產(chǎn)生得益于鎖模技術(shù)的誕生。該技術(shù)是通過(guò)在激光共振腔中的不同模式間引入固定的相位關(guān)系,這些模式之間的干涉會(huì)使得激光產(chǎn)生一系列的脈沖,從而能夠?qū)⒓す馄鞯妮敵雒}沖寬度減小到超短脈沖的水平,其中超短脈沖指的是脈沖寬度在皮秒量級(jí)(Picosecond,ps,10E-12秒)至飛秒量級(jí)(Femtosecond,fs,10E-15秒)的激光脈沖,超短脈沖激光通常也被稱為超快激光。
常見的工業(yè)激光器例如皮秒激光器,飛秒激光,以及科研領(lǐng)域比較熱的阿秒激光,都屬于超快激光的范疇。
對(duì)于脈寬小于1納秒,大于幾十皮秒的激光器,行業(yè)人員未將之歸為超快激光,而是稱之為亞納秒激光器。
根據(jù)波長(zhǎng)不同,又可以分為紅外皮秒、綠光皮秒、紫外皮秒等。
一、超快激光的原理
超快激光是激光領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一,作為一種新興的技術(shù)手段,在精密微細(xì)加工方面有著顯著優(yōu)勢(shì)。超快激光產(chǎn)生的超短脈沖與材料相互作用時(shí)間極短,不會(huì)給周圍材料帶來(lái)熱影響,因此超快激光加工也被稱為冷加工。這是因?yàn)?,?dāng)激光脈沖寬度達(dá)到皮秒或飛秒量級(jí),可以在很大程度上避免對(duì)分子熱運(yùn)動(dòng)的影響,產(chǎn)生更少的熱影響。

圖片

超快激光器的兩大核心訴求:
高穩(wěn)定性的超短脈沖、高脈沖能量。
可以利用鎖模技術(shù)獲得超短脈沖,利用CPA(Chirped Pulse Amplification)放大技術(shù)獲得高脈沖能量,其中涉及的核心部件包括振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器等。

圖片

(1)激光鎖模技術(shù)
鎖模(Mode locking)是激光器產(chǎn)生超短脈沖的方法之一,與調(diào)Q(Q-Switching)相類似,鎖模也是對(duì)激光器腔內(nèi)進(jìn)行調(diào)制,讓原本連續(xù)光(Continuous wave, CW)分裂,從而產(chǎn)生脈沖。但是鎖模與調(diào)Q僅僅是在物理現(xiàn)象上有所相似,其物理原理是完全不一樣的。
鎖模技術(shù)一般分為主動(dòng)鎖模被動(dòng)鎖模
除了主動(dòng)相位調(diào)制之外,一般都是通過(guò)損耗調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)鎖模,其中最常用的是通過(guò)飽和吸收(Saturated Absorption)效應(yīng)產(chǎn)生鎖模。
飽和吸收效應(yīng),即光強(qiáng)越強(qiáng),工作物質(zhì)的吸收越弱,當(dāng)光強(qiáng)足夠強(qiáng)時(shí),飽和吸收體(Saturable Absober, SA)被“漂白”,對(duì)光不再吸收。
目前,工業(yè)級(jí)光纖鎖模種子源基本都是SESAM鎖模加線性腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其中可以通過(guò)選擇不同的輸出啁啾光柵和SESAM參數(shù),實(shí)現(xiàn)皮秒或者飛秒鎖模。
(2)CPA放大技術(shù)
2018年10月2日,瑞典皇家科學(xué)院公布了2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者,由來(lái)自于美國(guó)的Arthur Ashkin,法國(guó)的Gerard Mourou和他的學(xué)生、 加拿大的Donna Strickland女士三位物理學(xué)家分享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。其中50%授予Arthur Ashkin的“光鑷及其在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用”,另一半授予Gerard Mourou和Donna Strickland的“啁啾脈沖放大技術(shù)(Chirped Pulse Amplification,CPA),用于生成高強(qiáng)度的超短脈沖激光的方法”。
鎖模技術(shù)從上世紀(jì)開始被研發(fā),在經(jīng)歷了主動(dòng)、被動(dòng)和克爾透鏡自鎖模三個(gè)階段之后,百飛秒量級(jí)以下超短激光脈沖的實(shí)現(xiàn)方式得到了巨大的改進(jìn)。鈦藍(lán)寶石飛秒激光振蕩器作為新時(shí)代集成化更高、穩(wěn)定性更好的鎖模激光器逐漸取代了發(fā)展初期的染料激光器,將超短脈沖激光器推向更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。超短脈沖激光振蕩器的重復(fù)頻率一般在幾十兆赫茲量級(jí),并且其單脈沖能量只能維持在納焦耳量級(jí)。
若采取將振蕩器直接輸出的超短脈沖進(jìn)行光學(xué)放大,那么由于非線性效應(yīng)的影響,超短脈沖將會(huì)在激光晶體內(nèi)部形成光絲甚至損傷,無(wú)法進(jìn)行有效的能量放大的同時(shí)還破壞了晶體元件。
穆魯(Mourou)和他的學(xué)生斯特里克蘭(Strickland)創(chuàng)造性的運(yùn)用啁啾脈沖放大技術(shù)將這一難題攻克:他們將振蕩器輸出的脈沖在時(shí)間維度上進(jìn)行了展寬,其峰值功率密度大幅度降低的同時(shí)消除了大部分非線性效應(yīng),因此種子脈沖可以從泵浦光中得到足夠的能量進(jìn)行光學(xué)放大,然后再通過(guò)壓縮元件將能量放大后的脈沖壓縮至超短脈沖范圍后輸出。目前,通過(guò)此技術(shù)所獲得的單脈沖能量高達(dá)毫焦耳甚至焦耳量級(jí),用透鏡或者透鏡組將超短脈沖進(jìn)一步會(huì)聚后,能夠在焦點(diǎn)處產(chǎn)生 10E19 W/cm2的極高峰值功率密度,此項(xiàng)技術(shù)為超快、超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理和應(yīng)用研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。隨著超短脈沖激光及啁啾脈沖放大技術(shù)的誕生,激光加工技術(shù)達(dá)到了一個(gè)全新的高度。

圖片

二、超快激光應(yīng)用之醫(yī)療領(lǐng)域
飛秒激光視力矯正,也是大家比較熟悉的激光應(yīng)用之一。在眾多的近視矯正術(shù)中,全飛秒激光手術(shù)已經(jīng)成為主流治療近視眼的方法,與傳統(tǒng)的準(zhǔn)分子激光手術(shù)相比,全飛秒激光手術(shù)具有手術(shù)準(zhǔn)確度高、無(wú)明顯疼痛感、術(shù)后視覺(jué)效果好等優(yōu)勢(shì)。

圖片

由于心臟支架壁管極薄,通常采用激光加工代替常規(guī)的機(jī)械切割。但是,使用普通激光通過(guò)燒蝕融化來(lái)加工,這樣加工的心臟支架存在毛刺多、切槽寬度不統(tǒng)一、表面燒蝕嚴(yán)重、筋寬不均勻等一系列問(wèn)題。近年來(lái),國(guó)外企業(yè)已經(jīng)開始采用飛秒激光進(jìn)行支架切割。

圖片

圖片

三、超快激光應(yīng)用之科研領(lǐng)域
雙光子聚合技術(shù)(2PP)是一種“納米光學(xué)”3D打印方法,類似于光固化快速成型技術(shù),未來(lái)學(xué)家 Christopher Barnatt認(rèn)為這種技術(shù)未來(lái)可能會(huì)成為主流3D打印形式。雙光子聚合技術(shù)的原理是通過(guò)使用“飛秒脈沖激光”選擇性固化感光樹脂。聽起來(lái)似乎像光固化快速成型,區(qū)別在于雙光子聚合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的最小層厚和X-Y軸分辨率均在100納米和200納米之間。換句話說(shuō)2PP 3D打印技術(shù)比傳統(tǒng)光固化成型技術(shù)精確度高了幾百倍,打印出來(lái)的東西比細(xì)菌還小。

圖片

圖片

四、超快激光應(yīng)用之顯示面板切割(貝塞爾光束)
關(guān)于貝塞爾光束的激光應(yīng)用,國(guó)內(nèi)基本比較成熟了。最成功的案例,我想應(yīng)該就是激光切割顯示面板了吧。由于激光加工效率高,穩(wěn)定好,維護(hù)方便,目前激光倒角機(jī)已經(jīng)基本取代了機(jī)械式倒角機(jī)。

圖片

這項(xiàng)激光加工技術(shù)的基本原理是通過(guò)超快激光的光束整形,獲得長(zhǎng)焦深的貝塞爾光束,作用于顯示面板的玻璃基板,實(shí)現(xiàn)任意形狀的切割。市場(chǎng)上的各種全面屏手機(jī),例如劉海屏,水滴屏,美人尖等,這些屏幕外形基本都是采用超快激光切割獲得的。

圖片

貝塞爾激光切割透明脆性材料,嚴(yán)格來(lái)講是包含兩個(gè)步驟,即切割+裂片。因?yàn)榧す馇懈詈?,材料并不能自?dòng)脫落,而是需要借助外力實(shí)現(xiàn)裂片。而裂片的難度隨著切割材料的厚度增加,是明顯增大。對(duì)于切割較厚的材料,要么可以多次切割,來(lái)彌補(bǔ)切割焦深不夠的不足,要么提高激光脈沖能量,設(shè)計(jì)更長(zhǎng)焦深的切割頭。
此外,技術(shù)上也有一些解決方法,例如burst-mode脈沖串模式。再不夠的話,那就得依靠激光技術(shù)的提升,獲得更高的脈沖能量了。
而裂片,就相對(duì)復(fù)雜一些了。不僅僅是因?yàn)椴牧虾穸仍黾雍?,裂片的阻力明顯增大。還包括切割形狀(例如異形)、切割內(nèi)封閉圖形、材料特性等因素,使得裂片的難度和復(fù)雜性明顯增大。
五、超快激光應(yīng)用之FPC及OLED切割
對(duì)OLED而言,其聚合物材料對(duì)熱影響特別敏感,加上現(xiàn)在做的cell的尺寸、間隔都非常小,留下的加工尺寸也特別小,像以前的傳統(tǒng)模切工藝已經(jīng)不適用于當(dāng)今的生產(chǎn)需求了,而且現(xiàn)在還有異型屏、打孔屏的應(yīng)用需求,更是超出了傳統(tǒng)工藝的能力范疇。這樣超快激光的好處就體現(xiàn)出來(lái)了,尤其是皮秒紫外,甚至飛秒激光,它的熱影響區(qū)小,而且更適合曲線加工這種更加靈活的應(yīng)用。

圖片

圖片

六、超快激光應(yīng)用之微焊接
對(duì)玻璃等透明固體介質(zhì)來(lái)說(shuō),超短脈沖激光在介質(zhì)中傳播會(huì)出現(xiàn)非線性吸收、熔化損傷、等離子體形成、燒蝕、光絲傳播等多種現(xiàn)象。圖示為不同功率密度及時(shí)間尺度下,超短脈沖激光與固體材料相互作用發(fā)生的各種現(xiàn)象。

圖片

正因?yàn)槌堂}沖激光微焊接技術(shù)無(wú)需插入中間層、高效率、高精度、無(wú)宏觀熱效應(yīng)以及微焊接處理后具有比較理想的力學(xué)、光學(xué)性能,其非常適合用于玻璃等透明材料的微焊接。例如,研究人員使用70 fs、250 kHz 脈沖成功為標(biāo)準(zhǔn)光纖和微結(jié)構(gòu)光纖焊接端蓋。

圖片

七、國(guó)內(nèi)超快激光器的發(fā)展情況
超快激光在工業(yè)應(yīng)用的歷史不長(zhǎng),是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家重點(diǎn)布局的激光應(yīng)用熱點(diǎn)。初期,超快激光市場(chǎng)基本被國(guó)外公司主導(dǎo),占據(jù)大部分市場(chǎng)份額。但中國(guó)政府、科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)對(duì)超快激光非常重視,政策傾斜及企業(yè)加大投入攻克難點(diǎn)技術(shù),不斷追趕國(guó)際先進(jìn)水平。清華大學(xué)、中科院物理所/光機(jī)所、華中科技大學(xué)等高校均在大力推進(jìn)超快激光科研;以大族、華日、安揚(yáng)、貝林、卓鐳、凱普林等為代表的國(guó)內(nèi)激光企業(yè)也在大力推進(jìn)超快激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。皮秒、飛秒超快激光器國(guó)產(chǎn)化將推動(dòng)國(guó)內(nèi)應(yīng)用商的使用成本降低至少30%-40%。
近幾年,國(guó)內(nèi)激光器廠商紛紛推出自己的皮秒飛秒激光器,平均功率從低功率發(fā)展至中高功率。依靠絕對(duì)的價(jià)格優(yōu)勢(shì),占據(jù)了很大一部分國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額,使得國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手倍感壓力。
由于行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈,處于產(chǎn)業(yè)鏈上游的激光器廠商也被迫走低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)策略。這和當(dāng)前實(shí)體經(jīng)濟(jì)環(huán)境不景氣有很大關(guān)聯(lián)。另一方面,超快激光應(yīng)用仍然處于發(fā)展初期,除了少數(shù)幾個(gè)領(lǐng)域有規(guī)模性的應(yīng)用,更迫切的仍是尋求新的突破口。技術(shù)上,國(guó)內(nèi)激光器廠商仍需要不斷提高產(chǎn)品品質(zhì)和穩(wěn)定性,縮小與國(guó)外產(chǎn)品的差距。還是老生常談的那句,前途是光明的,道路是坎坷的。


轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

半導(dǎo)體全解激光半導(dǎo)體
免責(zé)聲明

① 凡本網(wǎng)未注明其他出處的作品,版權(quán)均屬于激光制造網(wǎng),未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用。獲本網(wǎng)授權(quán)使用作品的,應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使 用,并注明"來(lái)源:激光制造網(wǎng)”。違反上述聲明者,本網(wǎng)將追究其相關(guān)責(zé)任。
② 凡本網(wǎng)注明其他來(lái)源的作品及圖片,均轉(zhuǎn)載自其它媒體,轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息,并不代表本媒贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé),版權(quán)歸原作者所有,如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。
③ 任何單位或個(gè)人認(rèn)為本網(wǎng)內(nèi)容可能涉嫌侵犯其合法權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)向本網(wǎng)提出書面權(quán)利通知,并提供身份證明、權(quán)屬證明、具體鏈接(URL)及詳細(xì)侵權(quán)情況證明。本網(wǎng)在收到上述法律文件后,將會(huì)依法盡快移除相關(guān)涉嫌侵權(quán)的內(nèi)容。

相關(guān)文章
網(wǎng)友點(diǎn)評(píng)
0相關(guān)評(píng)論
精彩導(dǎo)讀