飞秒,皮秒以及纳秒激光器切割固体

激光的脉宽
激光的脉宽是指激光在单位时间内的脉冲宽度，是描述激光光束特性的重要参数。

不同的激光器在发射出的激光脉冲宽度方面存在较大的差异。

不同的应用领域需要不同的激光脉冲宽度，因此激光产业发展的一个目标是将激光的脉冲宽度控制得更加精准。

激光的脉宽通常用皮秒、飞秒等单位来衡量。

对于工业应用，通常使用纳秒级别的激光脉冲宽度。

通过调整激光的脉冲宽度和重复频率，可以控制激光的平均功率和峰值功率，从而实现更加精细的加工和切割等操作。

下面是关于激光脉宽的一些常见应用：
1. 激光去污
利用飞秒激光器将横向扫描模式引入激光去污操作中，可以将激光脉宽控制在几十皮秒以内，避免对被处理材料产生热影响，从而实现高效、准确的去污操作。

2. 激光切割
在激光切割过程中，激光脉宽决定了切割口质量和速度。

对于较厚的
材料，需要采用纳秒级别的激光脉宽来保证切割速度和质量。

而对于一些细小的切割操作，飞秒激光器的皮秒级别脉宽则更为合适。

3. 激光打标
在激光打标操作中，通过控制激光脉宽和重复频率来调整打标深度和速度。

通常使用纳秒级别的激光脉宽来打标金属等硬材料，而用飞秒激光器可以打标在塑料、陶瓷、晶体等材料上。

通过对激光脉宽的控制，可以实现更加精细的加工和切割操作，以及更加准确的表面改性和打标等操作。

不同应用领域需要的激光脉宽也不同，未来激光行业将继续推动激光脉宽技术的发展，为各个应用领域提供更加精准和高效的激光加工方案。

超快激光脉冲产生及其应用超快激光脉冲是指脉冲持续时间非常短，一般在几十飞秒到皮秒之间的激光脉冲。

这样的激光脉冲在科学研究、医疗、精密加工等领域有着广泛的应用。

本文将分别介绍超快激光脉冲的产生原理和其在不同领域中的应用。

超快激光脉冲的产生需要一系列的技术手段，包括产生激光光束、调制光束以及通过非线性光学效应将调制的光束变成超快脉冲等。

1、激光光束的产生激光光束的产生需要使用激光器，激光器的种类比较多，包括气体激光器、半导体激光器、液体激光器和固体激光器等。

其中，固体激光器由于其结构紧凑、功率大、波长稳定等特点，在超快激光脉冲的产生中得到广泛的应用。

调制光束的产生需要使用一些光学器件，比如增益调制器、相位调制器等。

通过这些器件可以对激光光束进行调制，使其携带更多的信息，并且可以为后续的非线性光学效应提供条件。

3、超快脉冲的产生超快脉冲的产生是通过光学非线性效应实现的。

光学非线性效应是指当激光光束与物质相互作用时，光强度增强或者减弱的效应。

这些效应包括自相位调制、四波混频、光学增益压缩等。

通过这些效应，可以将调制光束变成超快脉冲，这些脉冲的宽度一般在几十飞秒到皮秒之间。

1、科学研究超快激光脉冲在物理、化学、生物等领域的研究中有着广泛的应用。

比如，在物理研究中，超快激光脉冲可以用来研究光学脉冲的产生、传输和变化等过程；在化学研究中，超快激光脉冲可以用来研究分子和化学反应等；在生物研究中，超快激光脉冲可以用来研究单细胞、细胞分裂、分子运动等。

2、医疗超快激光脉冲在医疗方面的应用主要集中在两个方面，即眼科和皮肤科。

在眼科领域，超快激光脉冲可以用来进行激光屈光手术，这种手术方式比传统的激光手术更加精细，可以有效避免激光手术的风险。

在皮肤科领域，超快激光脉冲可以用来进行皮肤美容和治疗激光补色等，这些应用与传统的激光美容相比，更加精确和安全。

3、精密加工超快激光脉冲在精密加工中也有着很大的应用，比如微加工、纳米加工、拓扑缩放等。

飞秒激光技术在材料加工中的应用飞秒激光技术是目前材料加工领域中最为炙手可热的一项技术。

飞秒激光具有高能量、高速度和高精度等特点，可以实现对材料的微观加工和细节修整，因此在医学、工业、科学研究等领域中有着广泛的应用。

在本文中，我们将会探讨飞秒激光技术在材料加工中的应用及其优点。

一、飞秒激光技术介绍飞秒激光技术是一种利用飞秒脉冲的高能量激光进行加工的新兴技术。

相比于传统激光，飞秒激光的脉冲时间极短，通常为几百飞秒，即1秒钟内脉冲数达到10的15次，这使得飞秒激光可以实现对材料的微观加工和细节修整。

由于飞秒激光具有极高的能量和速度，能够产生极高的温度和压力，使得材料发生蒸发、熔化等现象，进而实现对材料的切割、二次加工等操作。

同时，由于脉冲时间非常短，飞秒激光加工可以有效避免材料的过度加工和热扰动，从而提高了加工的质量和效率。

二、飞秒激光技术在材料加工中的应用1.微处理飞秒激光在微处理领域中有着广泛的应用。

例如，可以利用飞秒激光切割和打孔微型管道和细长管道，这对于微流体方面的研究和应用有着重要的意义。

同时，飞秒激光还可以实现对一些复杂的微器件和微结构的制造，例如微型精密光学器件、微机械器件等。

2. 二次加工由于飞秒激光加工可以实现对材料的微观处理，因此在二次加工方面有着特殊的优势。

例如，飞秒激光可以用于对材料表面的图案化处理、雕刻以及微观结构的制造等，这对于材料的表面功能化和优化等方面应用具有广泛的应用价值。

3. 切割加工飞秒激光在切割加工方面也有着广泛的应用。

传统激光加工往往因为焦点位置的不稳定和束斑大小的变化等问题而导致加工的质量不稳定，而飞秒激光可以有效解决这一问题，实现对材料的高精度切割加工。

三、飞秒激光技术的优点1.高精度飞秒激光可以实现对材料的微观加工和细节修整，具有极高的加工精度。

由于脉冲时间非常短，也可以避免因为加工时间过长而导致的材料变形等问题，进一步提高了加工的精度和质量。

2.高速度在一些大批量制造的加工场合中，飞秒激光技术具有明显的优势。

飞秒激光器用途
飞秒激光器是一种高能量、短脉冲、高频率的激光器，其发射的脉冲时间为飞秒级别，即每个脉冲的时间只有几百万亿分之一秒。

由于其高能量、高精度和高稳定性，飞秒激光器在许多领域都有广泛的应用。

在微电子领域，飞秒激光器可以用于微米级别的加工和切割，例如在晶体管、集成电路和光学器件的生产过程中。

此外，飞秒激光器还可以用于制造纳米级别的微处理器和量子点。

在医疗领域，飞秒激光器可以用于眼科手术，例如LASIK角膜手术，其通过利用激光器的高精度和高稳定性，将激光束聚焦在角膜上进行切割和重塑，从而改善视力。

在科学研究领域，飞秒激光器可以用于研究物质的量子力学特性和光学性质，例如在光谱学、化学反应动力学和物理学的研究中。

在工业领域，飞秒激光器可以用于制造高精度零部件和模具，例如在航空航天、汽车和精密机械制造过程中。

总之，飞秒激光器有着广泛的应用前景，其高能量、高精度和高稳定性使其成为许多行业不可或缺的工具。

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固体激光器原理-固体激光器固体激光器发展历程固体激光器发展历程固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。

1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。

固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。

这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。

在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子；(2)大多数镧系金属离子；(3)锕系金属离子。

这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。

用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙等，以及铝酸钇、铍酸镧等。

用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。

与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。

对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；；具有适于长期激光运转的物理和化学特性。

晶体激光器以红宝石和掺钕钇铝石榴石为典型代表。

玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。

工作物质固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。

这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。

玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。

但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。

常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。

80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。

晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。

超快激光器的组成超快激光器是一种能够在极短时间内产生高强度光脉冲的设备，其应用范围广泛，包括材料加工、医学、光学通信等领域。

超快激光器的组成包括激光源、放大系统和非线性光学元件等多个部分。

本文将详细介绍超快激光器的组成及其各个部分的作用。

一、激光源激光源是超快激光器最核心的部分，它是产生高强度、高频率脉冲的关键。

目前常用的超快激光器主要有飞秒激光器和皮秒激光器两种类型。

1. 飞秒激光器飞秒激光器是一种能够产生飞秒级别（10^-15s）脉冲的设备，其主要由三个组件构成：振荡器、放大系统和压缩系统。

其中，振荡器是产生飞秒脉冲的关键部件，它通常采用谐振镜或者半导体放大芯片来实现。

2. 皮秒激光器皮秒激光器是一种能够产生皮秒级别（10^-12s）脉冲的设备，其主要由激光二极管、放大系统和压缩系统组成。

与飞秒激光器相比，皮秒激光器的脉冲宽度更长，但其输出功率更高。

二、放大系统放大系统是超快激光器中的另一个重要组成部分，它用于将激光信号增强到足够强度。

放大系统通常由放大器和增益介质两部分组成。

1. 放大器放大器是超快激光器中用于增强激光信号的关键部件。

常用的放大器包括：固态放大器、半导体放大器和气体放大器等。

其中，固态放大器是最常见的一种类型，它通常采用钕掺杂YAG晶体作为增益介质。

2. 增益介质增益介质是指在超快激光器中用于产生激发态并进行能量转移的物质。

常见的增益介质包括：钕掺杂YAG晶体、铝石榴石晶体等。

这些材料具有高吸收截面和宽增益带宽，能够有效地增强激光信号。

三、非线性光学元件非线性光学元件是超快激光器中的另一个重要组成部分，它用于将激光信号压缩到极短的时间尺度。

常见的非线性光学元件包括：倍频晶体、分束器和反射镜等。

1. 倍频晶体倍频晶体是一种能够将激光信号频率加倍的光学元件。

常用的倍频晶体包括：BBO晶体、KTP晶体等。

这些晶体具有高二次非线性系数和宽增益带宽，能够有效地实现激光信号的倍频。

2. 分束器分束器是一种能够将激光信号分成多个部分的光学元件。

飞秒激光剥蚀---削铁如泥的光剑飞秒激光器的发明让很多人为之惊叹，它发出的激光脉冲时间实在是太短了。

目前人类还没有制造出其他的能量载体能在这个时间维度内完成打开、关闭。

快到什么程度呢？先说说“飞秒”是多久。

人类平均的眨眼时间约0.25秒。

比眨眼时间还短的事情很难看清了，比如闪电、爆炸、瞬间的显色反应。

如果有高速摄影机能一个飞秒一帧的速度拍摄，再观看眨眼错过的影像,即便一秒钟播放1帧，看完也要用几百万年。

即便是100飞秒的脉冲激光，一个脉冲时间内，光也只能飞行30微米，比头发直径短多了。

上世纪60年代激光器研制成功后，人们就没有停止过对激光器的研究和改造。

其中最主要的方向之一就是制造更短脉冲的激光，大家都清楚，能把能量压缩到很小的时间内迸发，意味着超级强的峰值功率和惊人的能量密度。

虽然，1974年，E.P.Ippen等人已经通过染料激光器第一次获得了飞秒激光脉冲，但实用价值太小，直到1991年，D.E.Spence 等人利用自锁模技术，以掺钛蓝宝石为增益介质，获得了60飞秒的激光脉冲，从此之后飞秒激光器实用化的发展上了高速路，全世界许多顶尖科学家和技术人员为之前赴后继展开了大量的研究工作。

超短的脉冲激光所带来的神奇特性，究竟能有什么用值得费力折腾？天下武功唯快不破，至少有以下这些特点是其他能量载体目前不能做的。

首先，超级短的脉冲时间，上面已经说过飞秒是很短的时间单位，目前人类已经能制造几个飞秒甚至小于一个飞秒的激光脉冲。

第二，脉冲峰值强度（功率）极高（可达到太瓦：1012W）如果你喜欢可以用百万亿瓦来描述，这个功率早已超过地球上所有发电厂功率总和上百倍、聚焦强度（功率密度）超过1020W·cm－２并且可以聚焦到很小的区域。

这个瞬间的光强极大，即便是用直径地球这样大的凸透镜聚焦太阳光也超不过的光强。

除此之外，它可以很高的重复频率，商用激光剥蚀系统典型的为10KHz也就是一秒钟万次以上这样的脉冲，甚至科学研究中用到MHz级别重复频率的飞秒激光。

紫外皮秒与紫外纳秒作用机理
紫外皮秒和紫外纳秒是两种不同的光学脉冲技术。

它们的作用机理可以简单描述如下：
1. 紫外皮秒：皮秒光脉冲（10^-12秒）是极短暂的但非常强
烈的光脉冲。

紫外皮秒激光可以通过高能激光源，如Nd:YAG 激光器或飞秒激光器产生。

紫外皮秒光脉冲对物质的作用机理主要包括两个方面。

首先，其高能量和短脉冲宽度可以产生高强度的电磁场，通过与物质相互作用，激发物质中的电子、声子和自旋等基本粒子的运动。

其次，紫外光脉冲中的光子能量可以与物质中的分子和晶格等结构发生共振作用，引发分子的电离、激发和解离等各种光化学和光物理过程。

2. 紫外纳秒：纳秒光脉冲（10^-9秒）与皮秒光脉冲相比，时
间稍长，能量稍低。

紫外纳秒激光通常由脉宽较长（几纳秒至几十纳秒）的固体激光器产生，如Nd:YAG激光器。

紫外纳
秒激光的主要作用机理是通过光热效应和光解效应作用于物质。

光热效应是指光能量导致物质中吸收光的部分变热，从而引发热膨胀、物质相变或化学反应等过程。

光解效应是指光能量能够破坏化学键，使物质分解或发生化学反应。

总的来说，紫外皮秒和紫外纳秒的作用机理主要取决于其短脉冲或长脉冲的光学特性，通过与物质相互作用，激发物质中的基本粒子和引发化学反应等过程。

不同的光脉冲技术适用于不同的应用领域和实验要求。

纳秒脉冲激光的应用探索近年来，随着科学技术的不断发展，人类对激光的应用越来越广泛，纳秒脉冲激光作为其中的一种，被越来越多的科研工作者所重视。

纳秒脉冲激光以其超强的穿透力和聚焦能力，以及极高的功率密度和短脉冲宽度，成为了许多领域的理想工具。

本文将就纳秒脉冲激光在医学、工业、材料科学、环境科学、安全保障等领域的应用探索进行讨论和探索。

一、医学领域1.美容祛斑美容医院使用纳秒脉冲激光能够有效去除表皮和真皮层里的各种斑点，比如雀斑、晒斑、太田痣等。

纳秒脉冲激光的短脉冲宽度和高功率密度，使得其能够更加准确地取出斑点，避免对健康皮肤的伤害。

2.激光打孔纳秒脉冲激光它可以在不影响周围组织的前提下，准确切割细胞和组织，从而完成针对性高的手术，比如癌症切除、皮肤去除等。

这种方法不仅创伤小，而且术后恢复快。

二、工业领域1.金属切割利用纳秒脉冲激光的能量特性，可以直接刻蚀金属或陶瓷材料，实现高精度切割。

特别是对于硬度较大的金属，纳秒脉冲激光还能有效地解决了传统加工方法带来的电离问题和热失控问题。

2.电子制造纳秒脉冲激光在半导体行业的应用十分广泛。

它可以通过材料光学反射率的微小差异，完成高精度PCB板上的特定元件的制造。

三、材料科学领域1.纳米晶体生长纳秒脉冲激光对晶体的生长和控制具有诸多优势。

它可以通过短时高能-热处理方式，制造出高质量、高稳定性的半导体材料，从而为纳米晶体的制备提供了更为理想的条件。

2.纳米表面修饰纳秒脉冲激光优异的具有诸多独特的表面处理特性，可以实现采用离散化的方式进行表面处理，即只对表层部分进行处理，保留下内部大部分的物质结构和物理性质。

四、环境科学1.污染物检测针对空气、水质、土地污染等问题，纳秒脉冲激光可以通过大气化技术以及实现极短时间内纳秒量级的采样，进而检测出相应的污染物。

2.生物监测纳秒脉冲激光作为一种趋势，也被应用于生物学的研究中。

它可以实现在不杀伤生物体细胞的情况下，进行高逼真度的测量，实现对生物体的 3D扫描与成像。

飞秒光纤激光器的应用飞秒光纤激光器是一种主要由光纤激光器构成，具有飞秒（10负15次秒）区持续时间的脉冲激光器。

飞秒激光器的脉宽极窄，瞬问功率极高，既使平均输出功率为lW，峰值功率也能达到千瓦级至兆瓦级以上。

飞秒激光器现已应用于以往纳秒脉冲激光器或连续波激光器无法应用的各种领域。

1990年，日本爱信精机公司以IMRA AmericaInc.的名字在美国成立了一家子公司，门从事飞秒光纤激光器的研发、生产、销售与应用开发工作。

因此“IMRA”既是美国研究法人的名字，又是爱信精机公司生产的激光器的商标名称，这是在美国研究开发、日本制造的激光器。

1、飞秒光纤激光器的优点1.1、小型轻便光纤激光器在确保必要光学长度的同时，可将光纤卷成半径约3cm的环形。

与固体激光器相比，光纤激光器的体积大幅缩小。

光纤形态每单位体积的表面积大于棒状或片状晶体激光器，散热效果好，不需要冷却器等外围装置，因此在这方面又大幅缩小了激光器的体积。

1．2、高可靠性高稳定性光纤激光器是由光纤部件组装而成。

这些光纤部件采用电弧熔接的方法，因此光学轴长期无偏移，这种连接方法确保了光纤激光器的稳定性和可靠性。

另外，IMRA激光器系统外部采购的元器件都严格选用高可靠性的光通信部件，这也对激光器系统的高可靠性提供了保障。

1．3、高光束质量单模光纤输出的光是近乎理想的点光源，输出光束的圆度和强度分布较容易获得接近理想的高质量输出光束。

飞秒光纤激光器在用于微细加工时，聚焦光束很容易达到透镜的聚焦极限，因此适于微细加工。

1．4、低功耗现已广泛使用的钛宝石飞秒激光振荡器的晶体吸收波长在530nm附近，将大功率Nd：YAG激光器的波长转换成530nm来泵浦激光器，既需要大型Nd：Y AG激光器，又需要冷却器，其电能消耗很大。

而光纤激光器则不需要冷却器，可以用二极管激光器直接泵浦。

结果表明，飞秒光纤激光器的电光转换效率优于钛宝石飞秒激光器1个数量级。

2、飞秒光纤激光振荡器虽然20世纪90年代初问世的飞秒光纤激光器的光学轴具有长期无偏移的特点，但因温度的变化等会使偏振面光纤旋转，从而导致输出功率的改变，因此需要偏振面的调整机构，并需要维护。

飞秒激光及其应用进展超短脉冲时代是从1960年代末1970年代初提出激光锁模技术时开始的，短短的20年后，出现了主动锁模，被动锁模，脉冲碰撞锁模（CPM），相加脉冲锁模等，锁模技术可以将脉冲缩短到皮秒是10-12秒甚至飞秒10-15秒。

在1980年代中期出现的自锁模技术和非线性啁啾脉冲放大技术，使我们真正进入了超短脉冲的时代。

利用这种技术可以产生一个高密度，高强度和高温高压领域是实验室天体物理在极端条件下，光与物质相互作用的极端物理条件，并提供了一个强大的高亮度X射线产生的重大科学研究手段。

此外，在第二十世纪90年代末，还发现飞秒激光的介质效应产生的长脉冲激光的独特性质有所不同，如区域、热效应小，空间选择性的作用，这些独特的性能，在许多领域有重要的应用价值，如微型光子器件的制造，医药，精细操作，三维度的光存储，纳米生物技术，纳米医学，这些应用已经引起了国内外的广泛关注。

飞秒激光其超短脉冲，超强峰值功率和高聚焦能力，因能够实现超精细和维微加工的特点获得了广泛关注和深入研究，所以飞秒激光技术发展迅速。

一、飞秒激光简介激光曾被人类视为神秘之光并已被广泛使用。

飞秒激光是近年来科学家们通过探究发现的更特殊的激光，简称FS是一种近红外光以脉冲形式运行，很短的时间，是衡量时间的标准尺度的长度。

1飞秒只有1秒的一千万亿分之一，即10-15秒。

飞秒激光有以下三个特点：1、利用飞秒激光获得的脉冲要比利用电子学方法获得的最短脉冲还短几千倍。

2、具有比目前全世界发电总功率还要多出百倍的瞬时功率，可达百万亿瓦。

3、空间区域可以集中到比头发的直径还要小，使周围的核力量的电场强度比其他电子还高几倍。

二、飞秒激光的发展历史飞秒激光的发展可分为四个阶段，目前已经历了前三个阶段正在进入第四个阶段。

60年代中后期的10-9～10-10s第一阶段是飞秒激光的早期阶段，其主要特点是建立锁模的理论和实验研究的各种各样的夹紧方法。

第二阶段是基于各种各样的锁模逐渐趋向于成熟的理论和方法为主要特征的70年代的10-11～10-12s，这个阶段皮秒（10-12）初步应用于化学和物理的领域。

物理实验技术中的超快光学测量技巧超快光学测量技术是当代物理实验中的重要研究领域之一。

随着科技的发展和需求的增加，人们对于光的性质和行为有了更深入的研究。

超快光学测量技术通过测量光的瞬时状态和行为，可以揭示光的本质并且对材料的特性进行精确的分析。

在超快光学测量技术的研究中，脉冲精细控制技术是一个非常关键的环节。

通过对光脉冲的控制，我们可以实现超快光学测量实验中所需的高时间分辨率和高能量分辨率。

在实验中，通过使用超快激光脉冲，可以在纳秒、皮秒甚至飞秒的时间尺度上观察到光的行为和材料的响应。

这为研究光学特性和材料的性质提供了强有力的工具。

一个常用的超快光学测量技术是频率域光学相干断层扫描技术（FDOCT）。

该技术常用于生物医学领域的实验，例如眼科检查中的视网膜成像。

FDOCT通过利用光在样品中传播的时间延迟和干涉信号的变化来测量样品的光学性质。

通过对光的频率进行扫描，可以获得一维或二维的光学断层图像。

这种技术具有高分辨率、快速扫描和非侵入性等优点，因此在生物医学领域得到了广泛应用。

除了频域光学相干断层扫描技术，时域光学相干断层扫描技术（TDOCT）也是一种重要的超快光学测量技术。

TDOCT主要用于材料科学和纳米技术领域的研究。

它通过测量光的时间延迟和干涉信号的相位变化来分析样品的光学性质。

与FDOCT相比，TDOCT可以提供更高的时间分辨率和更快的数据采集速度，因此在对材料的动态响应进行研究时非常有用。

超快光学测量技术还包括各种光谱分析技术，例如频率控制光谱技术、时间分辨光谱技术和偏振分辨光谱技术等。

这些技术通过测量光的频率、时间和偏振信息来揭示材料的光学和电子结构等性质。

通过分析光的频谱分布、时间延迟和偏振状态，可以得到材料的光学特性以及电子结构的相关信息。

这些技术在材料科学、化学和生物医学等领域的研究中具有重要的应用价值。

超快光学测量技术在物理实验中的广泛应用也带来了一系列的挑战。

首先，为了获得高时间分辨率的测量结果，需要使用高能量、高稳定性的激光器和复杂的光学系统。

纳秒、皮秒和飞秒激光脉冲对材料表面的改性TRTICA M S;JELENKOVIC B;GAKOVIC B M;RADAK B B;BATANID;TARASENKO V F;PETROVIC S;STASIC J;MILOVANOVIC D;KRMPOT A【摘要】The laser surface modifications of a bulk material Inconel 600 and a multilayered titanium-aluminium-nitride/titanium-nitride(TiA1N/TiN) coating are of great interest for fundamental and practical aspects. Observation of surface changes of the Inconel 600 and TiAIN/TiN induced by ultra-short (fs and ps) and short (ns) lasers is considered. It is shown that all laser systems can stimulate morphological changes at the target surface,and the irradiation with ultra-short pulses results in a better definition of the damage. Fs laser pulses can produce a sharper destruction in comparison to the ps pulses and it gives the conical cross section of the crater, which is in contrast to the semispherical shapes ps laser beams. Furthermore, thermal effects are dominant in the case of ns pulse,and all irradiations are accompanied by the plasma.%对基体材料镉镍铁合金600和多层TiAIN/TiN涂层的激光表面改性在基础研究和实际应用中有着很好的前景.本文观察了由超短脉冲(fs和ns)和短脉冲(ns)激光器引起的镉镍铁合金600和TiAIN/TiN镀层的表面变化.结果显示,3种激光都能使靶面发生形态改变,超短脉冲的破坏轮廓更为清晰.与Ps激光脉冲相比,fs激光脉冲能产生更严重的破坏.与产生半球体形状的Ps激光束相反,fs激光脉冲产生的破坏斑是圆锥形的.另外,ns脉冲辐照时热效应占支配地位,且所有的辐照都伴随着等离子体.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2011(019)002【总页数】7页(P221-227)【关键词】纳秒脉冲;皮秒脉冲;飞秒脉冲;Inconel 600镀层;TiAIN/TiN镀层;激光改性【作者】TRTICA M S;JELENKOVIC B;GAKOVIC B M;RADAK B B;BATANI D;TARASENKO V F;PETROVIC S;STASIC J;MILOVANOVIC D;KRMPOT A【作者单位】VINCA Institute of Nuclear Sciences,University of Belgrade,P.0.BOX 522,11001 Belgrade,Serbia;Institute of Physics,P.0.BOX 57,11001 Belgrade,Serbia;VINCA Institute of Nuclear Sciences,University of Belgrade,P.0.BOX 522,11001 Belgrade,Serbia;VINCA Institute of Nuclear Sciences,University of Belgrade,P.0.BOX 522,11001Belgrade,Serbia;Universita degli Studi di Milano Bicocca,Piazza della Scienza 3,20126 Milano,Italy;High Current Electronics Institute SB of RAS,634055 Tomsk,Russia;VINCA Institute of Nuclear Sciences,University of Belgrade,P.0.BOX 522,11001 Belgrade,Serbia;VINCA Institute of Nuclear Sciences,University of Belgrade,P.0.BOX 522,11001 Belgrade,Serbia;VINCA Institute of Nuclear Sciences,University of Belgrade,P.0.BOX 522,11001 Belgrade,Serbia;Institute of Physics,P.0.BOX 57,11001 Belgrade,Serbia【正文语种】中文【中图分类】TG156.99Research o f the surface modifications of m aterialsby short or ultra-short laser beam s and basic p rincip les of the coupling betw een laser radiation and surface[1]are necessary from fundam ental and p ractical reasons.The targetswe have studied so far,such as Inconel 600,TiA lN/TiN multilayer,and titanium show extraordinary physico-chemical characteristics.Due to this,laser surfacem odifications of these targetsare very importantnot on ly for the technological but also for biomedicalapplications.Preliminary studies show that thesematerials cou ld have a potential for imp lant applications[2],which is already well known for Ti/Ti-based alloys[3-7].The states of their surfaces are important for biocom patibility and bio-integration w ith human body.It has to be contaminant-free,while the op timal surface roughness is significant for the tissue integration.These imp lants are corrosion resistant toelectrolytes(such as physiological solution)and inert to the bodyfluids.They can be used as orthopaedic,dental,heart,etc.imp lants.The interest in the laser beam interaction with these targets has generally increased,especially in the last two decades.The main investigations were focused on the usage of short laser pu lses(ns/μs domain).Treat ment of these targets w ith the ultra-short laser pulses(ps/fs)is scarce in literature.In the present paper,our em phasis is on studying the effects ofultra-short and short laser pulses on Inconel 600 and TiA lN/TiN targets.The target Inconel600w as prepared by a standard metallographic procedure.The multilayer TiA lN/TiN was deposited on a polished steel H 11 p late by magnetron sputtering.Thickness of the mu ltilayer coating wasabout 2.17μm.Total thickness of the sam ples was in them illimetre range. The irradiation of targets was carried out in air,at the pressure of 1.013 bar and a standard relative humidity.The laser beam swere perpendicular to the material surfaces.The targets were irradiated by focusing laser beam using quartz lenses(12 cm focal length for a ps laser,i.e.15 mm for a fs laser)and KBr lens(6 cm focal length for a ns system).During the irradiation p rocess,the lasers were operated typically in the fundamental transversemode.Picosecond laser used was N d∶YAG laser[3].The laser pulse energy is the order of m J,pulse length is 40 ps,wavelengths are 1 064 nm/532 nm/266 nm and the pulse repetition rate is 2 H z.For fem tosecond dom ain,the Ti：sapphire laser was em ployed[8].The laser pulse energy is the order of n J,pu lse length is 160 fs,wavelength is 800 nm and the pulse repetition rate is 75 MH z.A typical experimental setup for the irradiation of samp les is shown in Fig.1 for the fs laser.Nanosecond pulses were obtained by using a TEA CO2 laser w ith the fo llow ing characteristics：the pulse energy order of tens of m J,pulse length 100ns(initial spike),wavelength 10.6μm and the pulse repetition rate 2 Hz. Various analytical techniques were used for characteriing the sam ples before and after laser irradiations.The phase composition and crystalline structures of the samp les were identified by an X-ray diffraction.The surface m orpho logy wasmonitored by an Optical Microscopy(OM)and a Scanning Electron Microscopy(SEM).The SEM was connected to an energy dispersive analyzer(EDX)for determ ining the surface com position of targets.Profilometry and focused ion beam(FIB)techniques were used forspecifying the geometry of ablated/damaged areas.XRD phase compositional analysis of targets show s that both Inconel600 and TiA lN/TiN are po lycrystals.The main alloying elements in Inconel 600 incorporated in to the lattice are highly predominant Ni(w=76%),asw ellas Cr(w=15.5%)and Fe(w=8%).This alloy has a face centred cubic(fcc)nickel structure.A lthough TiA lN/TiN system was com posed of 45 alternating layers,it also retained single-phase fcc structure of TiN.The coating showed preferential orientation(111),which is the same as individual com ponents o f the bilayer(TiA lN/TiN).Investigations of the surface changes of Inconel 600 and TiA lN/TiN have shown their dependence on laser beam characteristics,primarily on the energy density(fluence),peak pow er density,number of accumu lated pu lses,wavelength,etc.Surface modifications of these targets are presented in Fig.2-5.The results of the induced modifications are given below：3.1.1 Irradiation w ith fs laser pulsesFig.2 show s the dam ages on Inconel 600 target induced by fs pulses after 10 s and 5,7 min.Thesemorphology changes are highly expressed in both time ranges despite of very low pu lse energy,due to large num ber of the delivered pulses,i.e.relatively high average power.Thematerial expelled during irradiation formed a surrounding hillock-like rim around the deep crater.In contrary to theminute time range[Fig.2(c),(d)],the adhesion of the accumulated rim for second irradiation time[Fig.2(a),(b)]with the surface was low and its species/fragments could easily bemechanically removed. Surface changes/phenomena can be summarized as fo llow s：(i)intensiveremoval of surface material w ith crater like features;(ii)sporadic appearance of cracking effect at the accumulated material;(iii)appearance of nano-structures(drop lets)in nearand father periphery and,(iv)creation of the plasma in frontof the target.The crater formed by fs-laser beam after short irradiation tim e is strongly defined on the surfacewith the diameter of about300μm,w hereas its depth is of the order of tens ofm icrons.The cross-section o f the crater is conical.3.1.2 Irradiation w ith ps laser pulsesIrradiation of Inconel 600 w ith picosecond laser is shown in Fig.3.In this case the radiation intensity was similar to the fs laser,however thermal effects are p resent.The surface features/phenom ena induced by this laser can be characterized as：(i)violent removal of material and crater production;(ii)appearance of hyd rodynamic changes(like resolidified drop lets),and(iii)creation of the plasma in front of the target.The crater formed by the ps laser beam is not so sharp as in case of the fs laser.The dam age diameter is larger(about 300μm),while the p rofilometry analysis showed sem i-spherical cross-section.3.1.3 Irradiation w ith ns laser pulsesIrradiation of Inconel600 targetw ith nanosecond laser pulses is performed by using a pulsed TEA CO2 system.This laser typically p roduces the initial spike(FWHM～100 ns)and tail(duration～2μs).The laser intensity was optimal(108-109 W/cm2)but lower with respect to the ultra-short lasers(fs or ps systems).The surface features induced by the lasers can be described as：(i)superficial damagew ith expressed thermal effects,(ii)intensiveappearance of cracking areas and(iii)appearance of the plasma in front of the target,much stronger than in the case of psand fs pulses.The damage formed by ns laser beam is large w ith a diameter about 500 μm. Generally,assuming that the laser emits energy near the damage threshold,its radiation is absorbed via free electronsexisting in themetal.This process is fast,and is followed by the thermalisation of electron and lattice subsystem s.Finally,the phenomenaofablation can also be present.The Heat A ffected Zone(HAZ)strong ly depends on the duration o f laser pulse.For fs,as wellas ps lasers(if the pulse duration is several ps),the HAZ is m inimals thus the high precision of surfacemodification can be achieved.For ns laser pu lses,the HAZ is significant and thermal effects are present[9].3.2.1 Irradiation w ith ps laser pulsesIrradiation of multilayered TiA lN/TiN/steel system w ith ps laser pulses is shown in Fig.4.The target consists of 45 alternating layers Fig.4(b).The first layer to the steel substrate(bright-white colour)is TiA lN,the subsequent isTiN,etc.[10].Laser induced surface features/phenomena can be summarized as fo llow s：(i)intensive removalof coating in the central irradiation zone,(ii)appearance of wave-like periodic structuresat theperiphery,and(iii)creation of the p lasm a in front of the target.The damages formed by ps-laser beam are shallower compared to the fs regime.Periodicity of the laser induced periodic surface structures is in nano-dom ain(approximately 300 nm)[Fig.4(d),(e)].3.2.2 Irradiation w ith ns laser pulsesThe irradiation ofmu ltilayered TiA lN/TiN/steel system w ith ns laser pulses is show n in Fig.5.The irradiation w ith one laser pulse w as su fficient to induce visib le surface changes.Increasing the pulse count to 100 led to a noticeable enlargement of the dam age spot size,but without comp lete coating removal from the substrate[Fig.5(b),(d)].A detailedanalysis,Fig.5(b),revealed periodic surface structuresat a micrometerscal e.The periodicity of these structures is about 10μm,close to the laser wavelength.The phenomenon of the surface electromagnetic waves could be responsible for this effect.The irradiation of the target with 600 pulses resulted in coating ablation in the central zone[Fig.5(c)]and creation of resolidified regions at the periphery.The irradiation was accompanied by strong p lasma appearance on the target.A study of surface features of Inconel 600 and TiA lN/TiN/steel target induced by an ultrashort(fs and ps laser system)and short(ns la-ser system)is considered.It is shown that ultrashort as well as short laser system stimulated morphological changes at the target surface for the laser intensities used.The irradiation of the targets w ith ultra-short laser pulses,as a rule,resulted in a better definition of the damage comparing to the nanosecond pulses.In case of nanosecond pu lses,the thermal effects are dominant.Regarding ultra-short laser interaction,the fs laser pulses produced sharper damage com pared to the ps pu lses.The obtained crater shapes are quite different.The fs laser beam gave the conical crosssection,contrary to the ps laser beam producing a semispherical shape. The interaction of ultra-short,as well as short laser pu lses with Inconel 600 and TiA lN/TiN/steel target was accompanied by the appearance of p lasma in front of the target.The plasma,especially in the case o f short pu lses,together w ith high surface temperatures achieved,can be used for sterilization.Thisenables contaminant-free conditions,necessary for the potential imp lant app lications.[1] BAUERLE ser Processing and Chem istry[M].Sp ringerVerlag,Berlin,2003.[2] GRIFKA R G,FENRICH A I,TAPIO JB.Transcatheter closure of patent ductus arteriosus and aorto-pulmonary vessels using non-ferromagnetic Inconel MReye embolization coils[J].Catheterization andCardiovasc.Intervent.,2009,72：691-695.[3] TRTICA M,GAKOVIC B,BATANI D,etal..Surfacemodifications of a titanium implant by a picosecond Nd∶YAG laser operating at 1064 and 532nm[J].App l.Sur f.Sci.,2006,253(5)：2551-2556.[4] GU ILLEMONT F,PRIMA F,TOKAREV V N,et al..Single-pulse K rF laser ablation and nanopatterning in vacuum ofβ-titanium alloys used in biomedical app lications[J].Ap p l.Phys.A,2004,79(4-6)：811-813.[5] TRTICA M S,RADAK B B,GAKOVIC B M,et a l..Surfacemodifications o fTi6A14V by a picosecond Nd：YAG laser[J].Laser and ParticleBeams,2009,27(1)：85-90.[6] LONG M,RACK H J.Titanium alloys in total joint replacement a materials science perspective[J].Biomateria ls,1998,19：1621-1639.[7] MUKHERJEE S,MA ITZ M F,PHAM M T,et a l..Development and biocompatibility o f hard Tibased coatings using p lasma immersion ion imp lantation-assisted deposition[J].Sur f.Coat.Techn.,2005,196：312-316. [8] STASIC J,GAKOVIC B,KRMPOT A,et a l..Nickel-based super-alloy Inconel 600morphological modifications by high repetition rate fem tosecond Ti：sapphire laser[J].Laserand Particle Beams,2009,27(4)：699-707.[9] CH ICHKOV B N,MOMMA C,NOLTE S,eta l..Fem tosecond,picosecond and nanosecond laserablation of solids[J].App l.Phys.A,1996,63：109-115. [10] GAKOVIC B,TRTICA M,RADAK B,et a l..Modification o f mu ltilayered TiA lN/TiN coating by nanosecond and picosecond laser pulses[J].J.Op t.A：Pure App l.Opt.,2009,11(1)：015601.Author's biography：Dr Milan S.Trtica(Fu ll Res.Professor),w as born in Banatsko VelikoSelo,Serbia,received his BS,MS and Ph.D degrees in physical chem istry at the University of Belgrade in 1974,1979 and 1987,respectively.In 1980 he was on a specialization at the University of Southern California, Los Angeles,USA,and in 1989 at the H eriotWatt University,Edinburgh,UK.The subjec ts of his specialization were LIF spectroscopy,chemical lasers and pu lsedmolecular gas lasers.From 2005 to 2010(in four visits),he w as at the Bicocca University,Milano,Italy,as a visiting scientist.During his work experience,he was employed：(i)from 1975 to 1989 at the Institute o f Physics,Belgrade as the head o f the Laser Group;(ii)from 1989 to date at the Instituteof Nuclear Sciences V INCA.He is now the head o f the G roup for Lasers and Applications.H e is also a director of the Department ofPhysical Chemistry(since 2002)of the V INCA Institute as well as the p rojec t leader(p ro ject no.142065)w ith the Ministry of Science(from 2006 to 2010).H is current research interests comp rise：(i)phenomena associated with laser beam interactionswithmaterials(including phenomena under ultra-high intensity);(ii)modifications o f materials atm icro-and nano-levels,and(iii)physics/physica l chemistry o f pulsed gas lasers.E-mail：****************【相关文献】中图分类号：TG 156.99。

皮秒激光器的原理及应用1. 介绍皮秒激光器是一种高能量、短脉冲宽度的激光器，广泛应用于医学、生物学、材料科学等领域。

本文将介绍皮秒激光器的原理和一些常见的应用。

2. 皮秒激光器的原理皮秒激光器的原理基于激光的瞬时强度，即光子在极短时间内集中释放能量。

以下是皮秒激光器的工作原理：•脉冲产生：皮秒激光器通过使用某种介质（如Nd:YAG晶体）来产生脉冲。

该介质将连续波光束转化为非常短的脉冲光束，通常脉冲宽度小于1皮秒（1皮秒=1秒的10^-12次方）。

•脉冲放大：产生的脉冲光束被输入到激光放大器中，该放大器可以增强脉冲的能量和强度，通常使用倍频晶体来实现。

•脉冲调制：为了进一步调整脉冲的幅度和频率，可以使用调制器来对光束进行精确的调整。

这有助于进一步控制和优化激光的性能。

•脉冲输出：最终，经过调整和优化的脉冲光束可以通过适当的输出装置输出。

这些装置通常包括光纤耦合器、空气轨道、聚焦镜等。

3. 皮秒激光器的应用领域皮秒激光器在多个领域都有广泛的应用。

以下是皮秒激光器在一些领域的具体应用：3.1 医学•皮秒激光器在皮肤修复和整容手术中的应用：皮秒激光器的超短脉冲宽度能够有效去除皮肤上的斑点、痣和纹身等不良瑕疵，同时刺激皮肤再生和胶原蛋白增长。

•眼科手术中的应用：皮秒激光器可用于进行激光角膜塑形术（LASIK），用于矫正近视、远视和散光等眼部问题。

•皮秒激光器在皮肤癌治疗中的应用：研究表明，皮秒激光器能够高效地治疗多种皮肤癌类型，如基底细胞癌和黑色素瘤。

3.2 生物学•细胞成像和观测：皮秒激光器可用于调制细胞内的荧光信号，从而实现细胞成像和观测。

这对于研究细胞结构和功能非常重要。

•细胞操作和操作：皮秒激光器可以通过非接触方式操纵生物细胞，并实现精确的细胞操作和修复。

这对于细胞外科手术和生物微机械学研究非常有用。

•蛋白质结构研究：皮秒激光器还可用于进行蛋白质结构的研究，特别是通过激光光解方法来破坏蛋白质晶体中的结构。

时间档案：飞秒、⽪秒、纳秒、微秒、毫秒、秒（转⾃新浪）时间的单位可以从极⼩到极⼤，下⾯的描述是想传达⼀种超⼤时间跨度的感受。

⼀渺秒（⼗亿分之⼀秒的⼗亿分之⼀）科学家是⽤渺秒来对瞬时事件进⾏计时的。

研究⼈员已经⽤稳定的⾼速激光产⽣了仅持续250渺秒的光脉冲。

尽管这⼀时间间隔短得⽆法想像，但是和普朗克常数相⽐还是很长的。

普朗克常数⼤约为10-43渺秒，被认为是可能持续的最短时间。

⼀飞秒（⼗亿分之⼀秒的百万分之⼀10的-15次⽅秒）⼀个分⼦⾥的⼀个原⼦完成⼀次典型振动需要10到100飞秒。

完成快速化学反应通常需要数百飞秒。

光与视⽹膜上⾊素的相互作⽤（产⽣视觉的过程）约需200飞秒。

⼀⽪秒（⼗亿分之⼀秒的千分之⼀10的-12次⽅秒）最快晶体管的运⾏以⽪秒计。

⼀种⾼能加速器产⽣的罕见亚原⼦粒⼦b夸克在衰变之前可存在1⽪秒。

室温下⽔分⼦间氢键的平均存在时间是3⽪秒。

⼀纳秒（⼗亿分之⼀秒10的-9次⽅秒）光在真空中⼀纳秒仅传播30厘⽶（不⾜⼀个步长）。

个⼈电脑的微处理器执⾏⼀道指令（如将两数相加）约需2⾄4纳秒。

另⼀种罕见的亚原⼦粒⼦K介⼦的存在时间为12纳秒。

⼀微秒（百万分之⼀秒，10的-6次⽅秒）光在这个时间⾥可以传播300⽶，⼤约是3个⾜球场的长度，但是海平⾯上的声波只能传播1/3毫⽶。

⾼速的商业频闪仪闪烁⼀次⼤约持续1微秒。

⼀筒炸药在它的引信烧完之后⼤约24微秒开始爆炸。

⼀毫秒（千分之⼀秒）典型照相机的最短曝光时间为⼀毫秒。

⼀只家蝇每三毫秒扇⼀次翅膀；蜜蜂则每五毫秒扇⼀次。

由于⽉亮绕地球的轨道逐渐变宽，它绕⼀圈所需的时间每年长两毫秒。

在计算机科学中，10毫秒的间隔称为⼀个jiffy。

⼗分之⼀秒寓⾔中常说的“⼀眨眼”的时间就是⼗分之⼀秒。

⼈类的⽿朵需要⼗分之⼀秒的时间来分辨发声回声。

远离太阳系飞⾏的飞⾏器旅⾏者1号，每⼗分之⼀秒飞离太阳约两公⾥。

蜂雀在这个时间⾥可以拍打7次翅膀。

为A到中C定调的调⾳叉振动4次。