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浅析飞秒激光加工和非金属的相互作用

发布时间:2022-08-21      点击次数:75
  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。
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