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用超短脈沖激光實(shí)現(xiàn)冷消融、冷切割和冷鉆孔，是二十多年來人們一直期望能夠在工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的一個(gè)愿景。在過去十年間進(jìn)行的一些早期實(shí)驗(yàn)中，人們用鈦藍(lán)寶石放大器產(chǎn)生超快激光，這些實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了超短激光脈沖在精密機(jī)械加工領(lǐng)域所擁有的巨大潛能。但是對(duì)于精密機(jī)械加工而言，到底多短的脈沖才能滿足精密加工的要求呢？當(dāng)激光脈沖作用到材料上時(shí)會(huì)發(fā)生怎樣的反應(yīng)？對(duì)脈沖與材料的作用時(shí)間范圍有何要求？
作用原理、作用時(shí)間、能量密度
以金屬對(duì)激光脈沖的吸收為例，其從根本上說是能量從激光脈沖轉(zhuǎn)移到金屬材料的電子的一個(gè)能量轉(zhuǎn)移過程。對(duì)于持續(xù)時(shí)間為納秒級(jí)的脈沖而言，電子與所處晶格之間會(huì)發(fā)生一個(gè)溫度平衡過程，并且最終開始融化材料，直到部分蒸發(fā)。
在這個(gè)過程中，脈沖越短，能量轉(zhuǎn)移到電子的速度越快。在理想條件下，如果脈沖足夠短，那么在電子與晶格之間便沒有足夠的時(shí)間產(chǎn)生溫度平衡。接下來，“熱電子”（相對(duì)于冷晶格而言）有兩種方式與晶格作用：在一個(gè)特征時(shí)間后，來自電子的熱量開始向周圍的晶格擴(kuò)散。這種電子-聲子弛豫時(shí)間是物質(zhì)的一種屬性，其典型值為1~10ps。在大致相同的時(shí)間范圍內(nèi)，但稍有些延遲，熱電子和晶格之間發(fā)生了突然的能量轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致相位爆炸，即激活體的蒸發(fā)。
從上述解釋可以得出以下兩個(gè)基本結(jié)論：
1、激光脈沖的持續(xù)時(shí)間必須足夠短，以防止電子與晶格之間發(fā)生溫度平衡過程。對(duì)于金屬和大多數(shù)其他材料而言，均要求脈沖持續(xù)時(shí)間在1~10ps之間甚至更短。
2、由于在熱擴(kuò)散和消融之間有一個(gè)時(shí)間延遲，因此始終會(huì)存有殘余熱量，即使是在脈沖最短的情況下。
因此，冷加工必須定義為在最小的熱擴(kuò)散情況下進(jìn)行加工，這要求脈沖持續(xù)時(shí)間在1~10ps之間甚至更短。
雖然皮秒/飛秒激光脈沖較短的持續(xù)時(shí)間是冷加工的一個(gè)必要條件，但是光有足夠短的脈沖還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。如果熱電子因?yàn)檫^高的激光能量密度而被“過度加熱”，那么熱擴(kuò)散效應(yīng)將較為明顯，整個(gè)加工過程則會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊徇^程。一般來講，大約1J/cm2的能量密度，是用皮秒/飛秒激光脈沖進(jìn)行消融加工、而不會(huì)產(chǎn)生能夠測(cè)量得到的熱效應(yīng)的最佳能量臨界點(diǎn)，即此時(shí)具有最佳的低熱穿透深度。
線性吸收與非線性吸收
然而要實(shí)現(xiàn)最佳能量臨界點(diǎn)并非易事。除了上述提到的決定熱影響的因素外，光學(xué)穿透深度決定了激光脈沖的哪個(gè)部分在什么深度被吸收。
對(duì)于溫和消融而言，光穿透深度應(yīng)該在1μm的區(qū)域甚至更淺，這主要有三個(gè)原因：
1、光穿透深度決定消融深度。深度太大的消融將不再被視為溫和消融，因?yàn)槠鋵?dǎo)致粗糙的表面和邊緣，特別是對(duì)于硬而脆的材料而言，還會(huì)有微裂紋產(chǎn)生。
2、若光穿透深度過大，消融過程將變得效率低下，因?yàn)榇蠖鄶?shù)激光脈沖可能不能被吸收，能量浪費(fèi)較大。
3、針對(duì)基底的選擇性消融材料（如薄膜太陽能電池的絕緣體上的薄膜刻圖），光的穿透深度過大可能造成基底材料的損害。
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