浅析飞秒激光加工和非金属的相互作用

　　飞秒激光加工进入人们的视野，并广泛应用于航空、航天和医学等领域。飞秒激光是脉宽为几飞秒至几百飞秒的脉冲激光。

　　当飞秒激光作用于材料时，会发生复杂的能量传递及扩散现象，如电子-电子驰豫及电子-晶格驰豫等过程，电子-电子驰豫及电子-晶格驰豫的时间大于飞秒激光的脉冲宽度，因此晶格在脉冲作用的时间内基本保持原来的温度，不发生明显的升温，此过程称为飞秒激光“冷加工”。相较于长脉冲的激光，飞秒激光作用于固体材料时热量扩散很小、可控性好，因此被广泛地应用于生物医疗，光电信息，材料表面结构等多个领域。

　　飞秒激光加工与不同材料的作用机理不尽相同。金属材料中含有大量的自由电子，当飞秒激光辐射材料基体时，自由电子吸收激光能量使材料温度迅速上升，进而实现材料去除。非金属材料中的自由电子数量很少，作用机理也因此不同。

　　飞秒激光加工和非金属的相互作用：

　　当超高的激光能量聚焦于材料表面时，会在材料表面上形成等离子体，等离子体通过吸收光子能量达到材料的烧蚀阈值进而去除材料。在此过程中涉及的物理现象主要包括多光子电离和雪崩电离。

　　在飞秒激光辐射非金属材料的过程中，电子吸收多个光子后，将由基态跃迁到高能量的激发态并发生电离，这个过程为多光子电离。非金属材料中的电子数量很少，通常电子以逆韧致辐射的形式吸收激光能量，成为种子电子。由于种子电子的能量较高，当不受限制的电子与原子碰撞后，会产生两个自由电子。此过程反复进行，形成雪崩电离现象，使材料拥有大量种子电子。当种子电子密度达到临界密度时，形成等离子体。等离子体以逆韧致辐射的方式吸收激光能量。