脉冲激光加工技术

第1章概述 1.1激光的原理与分类 激光是20世纪以来继核能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“*快的刀”“*准的尺”“*亮的光”。 激光产生于物质微观粒子态的变化。原子内电子通过吸收或释放光子而在各高、低能级之间跃迁，可细分为以下三种形式： （1）自发吸收。原子内电子通过吸收光子而获得能量，从低能级跃迁至高能级，如图1.1（a）所示。 （2）自发辐照。原子内电子自发地释放光子使自身能量降低，从高能级跃迁至低能级，如图1.1（b）所示。 （3）受激辐照。光子入射到物质内部，会使高能级电子在光子的激发下从高能级跃迁至低能级，同时辐照出一个与入射光子具有完全相同状态（相同的波长、相位、频率和方向）的光子，致使完全无法区分出两者的差异，这一现象便是电子的受激辐照，如图1.1（c）所示，辐照出的光子的波长即对应于高、低能级之间的能量差。 爱因斯坦从理论上指出受激辐照的存在和光放大的可能，奠定了激光是由电子的受激辐照机制产生的理论基础。因此，激光*初称为镭射或莱塞（light amplification by stimulated emission of radiation，LASER）。与普通光相比，经过受激辐照产生的激光具有以下四大专属特性。 （1）方向性好：激光的高方向性使其能在有效传递较长距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。 （2）亮度高：激光的亮度较高，且具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千摄氏度乃至上万摄氏度的高温，这使其几乎能够对所有材料进行加工。 （3）单色性好：在整个产生机制中，只会产生一种波长的光，从而保证光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度和极小的光斑尺寸。 （4）相干性好：主要描述作为光波时激光各个部分的相位关系，所有光子都有相同的相位和偏振，它们叠加起来便产生较大的强度。 激光器是指能发射激光的装置。1960年，世界上**台激光器问世，其是由美国科学家Maiman［1］根据量子电子学的发展而研制出的一台红宝石激光器。1961年，Javan等［2］研制出了首*气体激光器——氦氖激光器；1962年，其又应用半导体材料成功研制出了气体激光器。1964年，美国贝尔实验室的科学家Patel［3］成功研制出了CO2激光器钇铝石榴石（yttrium aluminium garnet，YAG）。从此之后，各种类型的激光器不断涌现，为实验研究和商业应用创造了条件。由于激光的发展以及实验条件的改善，实验相比以前更容易实现。激光器的应用开始进入快速发展阶段，在激光器发展的基础上，研究人员开始对激光与物质的相互作用展开广泛研究。 自**台激光器问世，人们就开始着手研究如何获得更窄激光脉冲宽度的方法。研究发现，脉冲压缩是解决激光领域中脉冲宽度的重要手段。在脉冲压缩过程中，调Q技术以及锁模技术是使用*多的两种技术，其不仅可以提高脉冲峰值功率，而且高效实用。 1961年，Hellwarth［4］为了实现脉冲激光的输出，首先提出调Q的概念。其表达式为 （1.1） 根据上述定义，得到调Q所采用的原理：泵浦开始时刻，激光器谐振腔处于高损耗低Q值状态，不能满足激光器的振荡条件，但是激光器一直处于泵浦脉冲的激励中，将得到很高的粒子数密度，当反转粒子数密度达到峰值时，谐振腔的Q值会突然增大，迅速满足激光器振荡的条件，而且反转粒子数密度远远大于反转粒子数密度阈值，迅速建立起激光振荡，突然的变化使功率在很短时间内达到峰值，同时存储在亚稳态的粒子所具有的能量迅速转化为光子的能量，反转粒子的能量很快耗尽，脉冲结束，光子以极高的速率增长，此时激光器输出的光脉冲具有脉冲宽度窄和峰值功率高的特点。 1961年，Hellwarht采用被动调Q技术首次使红宝石激光器产生了纳秒量级的短脉冲激光，激光脉冲脉度为几十纳秒。1965年，Mocker等［5］利用被动调Q技术取得了更进一步的研究成果，把脉冲宽度缩短到10ns以下。根据原理，利用调Q技术得到的脉冲宽度的极限为2L/c（L为激光器谐振腔的长度；c为真空中的光速），因此根据调Q技术得到的大都是纳秒脉冲宽度的激光。 为了得到更窄的激光脉冲，有学者提出了锁模技术。锁模技术，即锁相技术，是指将多个纵模激光器中各个纵模的初相位关系固定，形成等时间间隔的光脉冲序列，使得每个振荡模之间有固定的频率差，保证每个振荡模之间的相位也是相对固定的。在锁模技术中，激光输出的是间隔相等的规则脉冲，间隔为2L/c，但是与调Q技术相比，其脉冲宽度变得更窄，*窄可以达到调Q技术产生的脉冲的1/（2N+1），其中2N+1表示锁模中纵模的个数。根据上述脉冲宽度和纵模之间的关系，锁模技术输出的*高功率密度可以达到调Q技术的2N+1倍。例如，固体激光器的锁模数可能达到103～104个，这样峰值功率会产生很高的窄脉冲。综上，锁模技术是实现脉冲变窄的重要手段之一。 随着激光锁模技术的不断发展，脉冲宽度越来越窄，因此超短脉冲激光器迎来了快速发展时期。*先发展且被应用到超短脉冲激光器的锁模技术是被动锁模技术。1965年，Mocker等［5］首次在红宝石激光器上使用了被动锁模技术，此后，他们又陆续将被动锁模技术应用到钕玻璃和掺钕钇铝石榴石（neodymium-doped yttrium aluminium garnet，Nd：YAG）激光器上。1966年，Demaria［6］采用该技术首次得到了皮秒激光。皮秒激光的主要特点是10-12s量级的脉冲宽度以及更大的脉冲功率。达到皮秒级的脉冲宽度可以实现对瞬态基元反应的研究。以前，光源能量限制了对许多微弱高级非线性现象的研究，随着皮秒激光的问世，这些研究成为现实。短脉冲激光发展到今天，已经有很多非线性现象得到了研究和解释。皮秒激光也可用来泵浦反应物分子，使反应物分子能够从基态被激发到激发态，也可以用来探测，根据物质的激发态或者中间瞬态行为探测物质的结构，如快速的瞬态现象、超快弛豫过程，以及能级寿命的测量、动力学中的碰撞等。激光技术的快速发展，极大地推动了脉冲压缩技术的进步，人们在皮秒激光之后得到了飞秒激光。1976年，在染料激光器中首次产生了飞秒激光［7］。1982年，美国贝尔实验室首次产生了90fs的激光脉冲，三年后，该实验室使用新技术产生了27fs的激光脉冲。Fork等［8］和French等［9］使用碰撞脉冲锁模（colliding pulse mode-locking，CPM）环形染料激光器得到了19fs的激光脉冲。 激光器大多由泵浦源、激光介质和谐振腔三部分组成。激光的产生必须选择合适的激光介质，如气体、液体或固体，激光介质可以实现粒子数反转，是获得激光的必要条件。为了使激光介质中出现粒子数反转，必须用一定的能量去激励原子体系，增加处于上能级的粒子数，泵浦源就是产生光能、电能或化学能的激励装置。有了合适的激光介质和泵浦源，就可以实现粒子数反转，但这样产生的受激辐照强度很弱，无法获得实际应用，需要通过谐振腔进行放大。谐振腔实际是在激光器两端对称地装上两面反射镜，一面几乎全反射，另一面是大部分反射、少量透射的耦合镜，以使激光可以透过并射出，被反射回激光介质的光继续诱发新的受激辐照，从而在光学谐振腔中来回振荡放大，*后从耦合镜的一端输出。 激光器按激光介质的不同可以分为气体激光器、固体激光器和液体激光器等，按工作方式的不同可以分为连续激光器和脉冲激光器。连续激光器可以在较长一段时间内连续输出，工作稳定、热效应高。脉冲激光器以脉冲形式输出，主要特点是峰值功率高、热效应低。在对激光技术不断认知的过程中，也从未停止对高性能、高质量激光技术的探索。脉冲激光的输出波长范围覆盖了从红外（infrared，IR）到紫外（ultraviolet，UV）的全光波段，输出的脉冲宽度越来越窄，经历了毫秒（1ms=10-3s）、皮秒（1ps=10-12s）、飞秒（1fs=10-15s）直至阿秒（1as=10-18s）的超短脉宽输出，与此同时，输出的能量强度越来越高，经历了兆瓦（1MW=106W）、吉瓦（1GW=109W）、太瓦（1TW=1012W）甚至拍瓦（1PW=1015W）量级的超强脉冲输出。由此可见，脉冲激光正朝着脉冲宽度越来越窄、峰值功率越来越高的方向不断前进。下面给出常见的脉冲激光器。 （1）准连续波激光器。 准连续波（quasi-continuous wave，QCW）激光器也称为长脉冲激光器，可以产生毫秒量级的脉冲，占空比为10%。这使得脉冲激光具有比连续激光高10倍以上的峰值功率，对钻孔等应用来说非常有利。 （2）纳秒激光器。 二极管泵浦固态（diode pumped solid state，DPSS）激光器是在20世纪90年代末被首次引入工业环境的。**台此类激光器仅具有几瓦的低输出功率，波长为355nm。在二极管泵浦之前，使用灯泵浦可获得激光，但是这类激光器非常不可靠。当时，几瓦的纳秒紫外光的成本超过10万美元。随后，纳秒激光器市场越来越成熟，可从许多不同的制造商（提供红外、可见和紫外波长）处购买到纳秒激光器。在大多数情况下，纳秒激光器的脉冲持续时间介于几十纳秒到几百纳秒。这类短脉冲激光器广泛用于打标、钻孔、医疗、快速成型等领域。 （3）皮秒激光器。 近年来，全固态皮秒激光器在材料微加工、激光光谱分析、激光光通信、非线性频率变换、激光检测与计量等方面发挥着重要作用。其中，在进行金属加工时，激光脉冲宽度并不是越短越好，因为当利用脉冲宽度低于5ps的激光进行加工时，会产生非线性效应，这一情况对金属材料的激光加工非常不利。综上所述，脉冲宽度在10ps左右的皮秒激光是进行金属激光微加工的*佳选择。皮秒激光器在微加工领域具有热影响区小、对材料损伤极低等优点，并且皮秒激光器本身结构简单、造价低、稳定可靠，高重复频率提高了加工效率、降低了单件成本。 （4）飞秒激光器。 飞秒激光器是一种脉冲激光器。飞秒是指脉冲的持续时间，与脉冲的频率不同。脉冲的频率是指1s内激光器发出的脉冲数目。飞秒激光器具有非常高的瞬时功率，可达百万亿瓦，比目前全世界的发电总功率还要高出上百倍；物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，即气态的物质、液态的物质、固态的物质都会瞬间变成等离子体；利用飞秒激光进行手术，没有热效应和冲击波，在整个光程中都不会有组织损伤。因此，飞秒激光广泛应用在激光医疗、精密钻孔、精密切割、超微细加工等领域。 1.2材料加工的脉冲激光 激光的脉冲宽度是一个重要参数，是指单个激光脉冲释放能量真正作用于材料的时间。材料加工用的脉冲激光主要包括：长脉冲激光，主要指毫秒脉冲激光（millisecond pulse laser，MPL），简称毫秒激光，常见脉冲宽度为1～1000ms；短脉冲激光，主要指纳秒脉冲激光（nanosecond pulse laser，NPL），简称纳秒激光，常见脉冲宽度为1～1000ns；超短脉冲激光（ultrashort pulse laser，UPL），又称超快激光，包括皮秒超快激光和飞秒超快激光，普遍脉冲宽度≤10ps。将脉冲激光作用于材料表面，是一种无接触、微细精密、高灵活性的先进加工技术，是先进激光应用的重要方向之一。与传统的加工技术不同，脉冲激光加工的主要特点包括：普适性，即对材料硬度、脆性、熔点等不敏感，可以加工陶瓷、玻璃等硬脆材料以及镍基高温合金等高熔点材料；高分辨率，即具有发散角小，激光光斑直径可以聚焦到纳米量级，进而实现高精密微细加工；高自动化，即激光易于导向，易与数控技术结合，进而实现对复杂样品的加工，具有高灵活加工的特点。 脉冲激光器是指单个激光脉冲宽度小于0.25s，每间隔一定时间才发出一次光束的