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莱因哈特•波普拉维教授

激光技术研究院主席 亚琛工业大学

大家好 这节课我们将讨论超快激光的应用

大家都知道 我们可以利用通信技术中的数据

通过光纤每秒传输兆位

并按照我们今天习惯的方式组织互联网通信

现在想象一下 你可以把这种数据流量

这种精确度达到每秒数百万次事件的功率级

在这一点上 我们真的可以直接应用 烧蚀 进行材料修改

因此 这有可能彻底改变我们的生产技术

如果我们能够测量这些过程和激光的功率

在本文的摘要中 大家会看到我们将要处理的一系列问题

我们将从超短 超快激光的定义开始

从物理角度看 这是激光与物质的相互作用

然后我们会进入消融过程 看一下这些应用

应用实例 如折射率修正在光子光刻显微镜中的应用

作为展望

我们将看看超快激光在未来科学和新领域的潜在应用

一直到阿托秒 也就是1×10−18秒

现在让我们来看看我们所理解的超高速的定义

这里有两种观点

一个是材料处理器视图

它定义了电子和声子的平衡耦合之间的临界值

如果时间变短 我们就需要把这两个事件分开

这样才能把电子的耦合和声子的耦合分开

一位激光工程师 也是物理学家 他的观点很简单

因为如果我们应用模态阻挡 我们就能制造出这样的激光

然后我们可以得到所用波长的几个周期的脉冲长度

这是不可见的激光 大约3到5飞秒

所以 在我们用来描述过程的语言中 我们有脉冲峰值功率

它由每个脉冲的峰值来定义

我们将讨论重复频率 简单地说就是 除以两个脉冲之间的时间距离

当然 每个脉冲都有一种能量 它就是这个功率在时间上的积分

我们可以确定一个平均功率

对应的平均功率也就是所有传递能量的时间平均值

简单介绍一下 超短波激光的基本原理

如果我们对一个表面应用超短脉冲 我们将面临以下情况

在左边的这个视图中 大家可以看到表面的温度

我们划分了材料深度

这是表面 这是材质深度

当然 正如大家所了解到的 表面温度会上升

温度扩散到物质中需要一些时间

所以 我们会有一个温度梯度

现在重要的是 大家也可以在热传导的视频中找到它

温度随时间的推移和渗透深度而变化

也就是温度下降到表面温度十分之一的瞬间

温度的渗透深度随时间的推移而变化

准确地说 它是4乘以导热系数乘以时间的根

所以 随着时间的推移 这条曲线会进入物质

我们会得到更高的温度和更深的穿透深度

或者如果我们去另一端 我们会有更低的温度

更浅的穿透深度 相应的时间也更短

现在我们来看看超高速激光的应用

我们研究了热穿透深度与辐照时间的关系

在右图上 我们看到 热穿透深度除以脉冲持续时间

就像我之前说的 它是随时间的推移而变化的

它被绘制成两种不同的高导热性材料

导热性材料铝和导热性较差的钢

但是从数量级上 大家可以看到

如果我们想要研究10-12的超快激光

也就是1皮秒 大约1皮秒的激光

然后我们得到热穿透深度大约是10-8米

也就是10到50纳米

理论上来说 如果我们提出这个问题

照射一个表面的时间是多少

这样我们只蒸发了一层原子

而这一层下面的那一层甚至不知道它上面的那一层被10000开尔文的气体吹走了?

根据这个简单的分析 答案大概是几十飞秒

所以 如果我们在我们的图中画出这个 大家可以看到大约是10- 15飞秒

或者是几飞秒 几十飞秒就能得到原子直径的规则

在热渗透方面

有趣的是 我们能够制造出脉冲长度的激光

然而 如果我们以金属为例 看看真实的材料 事实就不那么简单了

然后我们需要对光学穿透深度进行相位 当然 穿透深度是与光速成比例的

能量以光速沉积在材料中

所以它比热穿透要快得多

这个极限告诉我们 在金属中

只加工几十纳米的热穿透深度是有意义的

这就得到了10-12秒的脉冲持续时间

这就是为什么我们讨论脉冲长度在一皮秒或几皮秒范围内的超快激光

对于材料加工来说 低于这个值是没有意义的

因此 我们面临着能量耦合被划分在几个领域的情况

它们列在左边 很有条理

它描绘了一个电子系统和一个声子系统

想想这个应用中的金属

所以 金属中的自由电子几乎是随入射场运动的

所以典型的耦合时间是几十飞秒

所以电子很快被加热 然后它们发生碰撞 然后热化

所以电子相互作用的时间大约是这个值的10倍 也就是大约100飞秒

只有在那之后才会有从电子到声子再到金属晶格的转变

这大约需要1皮秒

声子的热化大约需要100皮秒

这就是能量耦合过程中的四个步骤

如果我们看一下金属与超快激光相互作用的例子

大家可能想到使用亚皮秒脉冲

也许一个200飞秒的脉冲 就会有热化电子

所以电子温度是可以定义的

但是 晶格中还没有能量

所以激光脉冲会关闭很长一段时间

直到能量从电子系统扩散到声子系统

它在右边是可视化的 在这里大家可以看到由这些小点表示的自由电子

在一个非常简单的弹簧模型中 晶格的原子核是黑色的

所以 一开始我们摇动电子 使它们发生热化

然后它们与晶格碰撞 并将能量传递给晶格

但这只是在激光脉冲再次关闭后相当长的一段时间内发生的

在这个模型中 这个是可视化的

在这里我们绘制了相互作用和对应的温度

这是相对于典型处理值和皮秒激光来说的

在这种情况下 脉冲持续时间是1皮秒

这意味着电子的温度会随着激光脉冲的增加而直接上升

直到脉冲熄灭

那么温度就不再升高了

如果脉冲离开电子 冷却下来

它们开始把能量传递给声子 也就是这里的绿色曲线

在这种情况下 你可以直接看到电子和光子之间能量耦合的延迟

相应地 蒸发过程只有在晶格真正感受到温度时才开始

这次发生在几皮秒之后

所以 在脉冲之后 声子会变热并开始消融过程

当然 烧蚀会随着声子温度的降低而减小

所以消融过程发生的时间大概是十亿分之一秒

在一纳秒这种情况下 如果我们延长脉冲的长度 取一个更长的脉冲

那么大家就看不到声子和电子的两个温度之间的区别了

所以 实际上 温度模型只需要描述超快区域的脉冲长度

在一皮秒以下 几皮秒以下

如果涉及到应用程序 有一件非常重要的事情需要考虑

我们可以用超快激光提供这些高强度

我们能够激发两个光子过程 甚至是多光子过程

大家可以看到上面所画的原理

我们所做的是将两个能量相对较低的光子叠加在一起

为物质状态下的激发态的跃迁提供足够的能量

在这个吸收过程中 我们现在有一个强度临界值

它与激发所需光子的数量成比例

这个过程的概率与所需光子的数量成比例

因此 这个临界值是根据过程中的某处定义的

如果我们看一下激光脉冲的横向强度行为的典型分布

通常我们讨论的是这条绿色曲线上的高斯分布

如果大家观察这些非线性过程 会发现这取决于临界值

空间域会比线性过程小得多

因此 如果我们处理透明材料

当强度低于相应的临界值时 将不会发生吸收现象

然而 如果我们到达这个临界值

我们确实能吸收很多光子 但只有在强度足够高的地方

因此 可以根据过程的临界值 非常精确地将其调整到相当小的区域

所以 可以说从经典高斯光束中 我们只切出了非常小的

决定强度临界值的一部分

那就增加了局部分辨率

这取决于过程强度与临界值的比值

我们来看一些利用这些事实的例子

首先 我想给大家 展示一个非常简单的观点 可以说是预演

到目前为止 我们在一个非常简单的问题上讨论了什么

如果大家看一个典型的材料系统 它是由原子组成的

这些友好的家伙应该是原子

如果我们用热过程 比如切割

我们要做的就是从顶部用激光加热原子

然后我们发现热穿透依赖于时间的根

这就导致了表面温度和材料本身温度的升高

然后在超过熔融温度之后

我们可以用气体射流吹出熔融的物质 然后进行烧蚀 切割或者钻孔

所得到的几何形状取决于再凝固材料的重铸

在超快处理中 在极限情况下 我们有一个非常不同的过程

如果我们应用飞秒 我们只处理几个原子 几层原子

它们立即汽化 而且热影响区非常非常小

它取决于梯度和这些短脉冲的典型值

金属的厚度在一微米以下 如果我们讨论熔化形成所需的皮秒

最终 我们在这些消融过程中得到了非常高的位置

大家看到三个例子 我们将皮秒激光应用于钢铁 陶瓷 聚合物

正如大家所想象的 我们加工哪种材料并没有什么区别

只要我们将能量定位在不同的薄表层 并允许短时间内烧蚀材料 即可

所以 加工区域环境的热效应可以忽略不计

在这种金属应用中 大家可以很清楚地看到 几乎没有任何可视熔体

所以我们得到了非常高的精度 大约一微米

在这一点上 典型的数值可能会有趣

对于这样的激光 脉冲率大约是每秒2千万脉冲

所以这是一种非常高的速度 非常低的脉冲能量

所以 一段一段的烧蚀非常精确

但是非常快 重复非常快 重复率也很高

这样的话 按照激光功率的比例 我们就得到了这些宏观消融速率

然后是生产技术的宏观应用

举一个例子 我想向大家展示一个可能与我们所有人都相关的愿景

因为我们都使用航空旅行这些很棒的先进技术

然而 我们都知道这需要很多能量

如果能减少飞机摩擦和能源消耗 这将会非常棒

这是可以做到的

这是美国国家航空航天局的一项研究 研究表明 这取决于机翼上的位置

尤其是在低压区 我们会遇到湍流

这些湍流与底层混合在一起

所以在机翼尾部形成很大的湍流

现在这个可以被还原了 已经计算出来了

如果我们能够在机翼上制造许多直径100微米左右的天坑

那么就可以吸走这些湍流

我们可以让气流更靠近机翼

从而大大降低了机翼后部湍流的形成

在这里 大家可以看到这样的射孔过程

我们需要第二层

但在机翼构造中 这很容易就能完成

最重要的是 在这张图的右上角

因为如果我们这样做 我们将能够减少多达15%的燃料消耗

这真的很重要

我们需要做的是 在这些机翼上钻很多洞

我所说的很多 指的是在每架飞机上钻一千亿个洞

因此 我们需要大功率的超快激光

使该过程更灵活 以便在工业水平上执行这种穿孔

我们需要大约每秒10000个洞才能在有限的适当时间内完成这项工作

在右边 大家看到的是一个有196个洞的图片

那就是用分裂波束在过程中同时钻孔

因此 有几种方法可以将功率应用程序扩展到此类流程

我们肯定不会一个接着一个钻洞

因此 需要更多的智能方法来操作这些应用

还有一些不同层次的应用

在本例中 我们使用超快激光和后续的第二步

来修改玻璃 蓝宝石等透明介质的折射率

正如大家在这里看到的 在这个例子中 我们蚀刻了如此受到辐射的区域

这是玻璃中波导的形成

在这个蚀刻过程中 它听起来有点不环保

但它不影响 这个氢氧化钾溶液不会危害任何东西

所以说 它非常环保

最后 我们得到了非常精确的结构 我们可以从透明介质中蚀刻出来

通过玻璃中这些多光子吸收或的非线性吸收过程

在这里 大家可以看一些例子 一些齿轮几何图形或一些模型几何图形

因此 高宽比高达1000可以实现约1微米的切割曲线宽度

这是在具有极高精度与选择性激光蚀刻的玻璃中

最后一个应用这种激光的例子 就是双光子光刻

在这里 我们再一次利用了多光子吸收

在左上方的图片中 大家可以再次看到这个取决于临界值

所以我们得到了一个非常小的待加工区域

因为我们不只是关注横向维度

但是 只有在激光传播的方向 我们才称之为体素

所以我们可以有非常精确且小的体素

在右边 大家看到了一项液体聚合物的3D打印应用

在这种情况下的血管支架 稍后将在原始的生物材料中生长

在显微镜下 我们还可以利用这两个光子吸收过程的高精度

最后 我给大家看一个激光扫描显微镜的例子

大家可能对它很熟悉

在左边 大家看到的是经典扫描显微镜的示意图

在这里 我们照射一个体积 一个完整的体积

并在一层选择一个特定的点 在探测器前放置一个针孔

所以 我们只选择一种非常具体的焦点深度

在这个过程中 我们识别出样品的荧光或发出的光

然后 我们扫过这条线 再扫过这一层

然后在材料的深度上 逐层扫描显微镜。

如果是两个光子激发 那我们就不需要选择针孔

因为我们只在很小的体素中激发 就像我之前展示给大家的那样

为了更直观地看到这个 在这里 大家可以看到

相应的共聚焦激光扫描显微镜照明图像

在那里 我们利用两个光子显微镜 照亮整条样品深度线

我们只能在显微镜下照射和分解这个微小的体素

实际上 这就总结了这堂课 超快激光及其应用

毋庸置疑 人们努力测量激光功率

目前已经证明了几千瓦的脉冲长度低于1皮秒

脉冲率高达20兆赫

这种缩放过程发生了

它将为你在科学应用前景中的应用打开一个全新的应用领域

所以正常使用频率梳的时间在分辨率上有了很大的进步

在2005年 为时间测量授予了诺贝尔奖

所以 这只有在超快激光下才可能实现

然后我们可以通过非线性变频将这些高强度聚焦成气体射流

我们得到了一系列入射激光的谐波

因此 我们可以通过这种更高的谐波生成来增加光子的能量

并将波长减小到接近x射线的区域

这当然是相干辐射 如果我们看相干x射线 这将会是一种方法

下一个例子是面向未来的

这是阿托秒的形成 正如大家所看到的 我们需要不同的短波长

因为我们受限于可见脉冲的周期数

大约是飞秒

所以 如果大家想要达到阿托秒 我们需要达到紫外线速度

实际上 这同样是个挑战

我们可以通过这些短波长来解决产生的高谐波气体射流

现在我们可以用这些波长 这些短波来产生阿托秒脉冲

它的工作原理是 在这些高电场中

我们扭曲了电子的经典结合 把电子放到更高的能级

这样产生的辐射进入深紫外 甚至是x射线区域

最后一个例子是等离子丝的形成

在这种情况下 我们聚焦激光辐射

并通过等离子体聚焦和离焦产生一串微型等离子体

这是形成等离子体珍珠的一个重复过程

这使得空气最终具有导电性

所以在这个气体排放的应用中 我们会有一个清晰的排放通道

大家认为 在机场的两个相应的地方指导闪电 这一愿景

使我们的飞机即使在雷雨和闪电天气飞行 也没有任何危险

所以我们可以用超快激光制作出非常棒的东西 这种预测数据密度的能力

正如我们所知道的 从通信到信息技术

从我们的计算机到电力应用程序

我们可以直接用钻头进行烧蚀和材料处理

这可能会促进在工业和工业生产中 使用这种能源的新时代的到来

如果大家仔细想想 工业革命是以能量的形式为特征的

第一个是机械能 蒸汽能 第二个是电能

也许现在我们正面临一个使用光子能量的新时代