飞秒，皮秒以及纳秒激光器溶解固体摘要：0.2—5000ps激光溶解固体题目：蓝宝石激光脉冲的开发、模型以及其性质的展示。
飞秒激光对精密材料进行加工的优势也进行了讨论和展示。
正文：高效的利用激光对精密材料进行加工离不开对于调解激光辐射与物质之间相互影响的重要规律的知识。
为了实现这一目标，激光与物质之间相互影响的系统研究是必要的。
由于现在激光系统的进步，尤其是那些基于啁啾脉冲扩展技术，这样系统的研究已经在非常广泛的激光领域成为可能。
CPA系统能够使激光脉冲持续时间从大约100飞秒变至几十纳秒，而其他特性不改变。
这就允许我们对多种不稳定的激光与物质之间相互影响的过程进行细致的分析。
举些例子，最近的学术研究对于损伤阈值、分割阈值以及高强度激光溶解都有提及。
这个系统的研究只是刚刚开始，更多的研究将会帮助我们了解和证实飞秒激光系统对于精密材料加工的潜质。
最近进行的一些关于飞秒和纳秒脉冲溶解固体的实验。
飞秒激光的染色和受激分子激光系统对精密材料加工的优势已经体现无疑。
在这一研究报告中，我们展示了激光溶解和打孔技术的商业用途，蓝宝石激光提供了一个780nm，能量为100mJ，持续时间可在0.2—5000ps进行变化的激光系统。
实验处于一个低影响的体系中，在其中，只是很少量的超出蒸发阈值。
这个体系对于溶解精密固体实验意义非凡，这样一来，固体内的能量沉积和热影响区域都会被降到最低。
我们讨论和举例飞秒激光脉冲的优点，希望能刺激在这个领域新的研究。
第一部分中，我们将展示三种不同持续时间的脉冲在低影响条件下溶解金属的特点：飞秒，皮秒以及纳秒激光器这三种实验对象。
关于实验的配置和结果，我们将在第二部分中给出。
1、理论知识背景在低强度的短波激光脉冲作用于金属物时，由于反方向的韧制辐射，激光的能量会被自由电子吸收。
然后，被吸收的激光能量需要在电子系统中热能化，将能量传输到晶格中，由于电子的热量传输给了溶解目标，导致能量流失。
如果我们假定，在电子系统中的热能化是非常快而且其电子和晶格系统都以热量为表征（T&i T），那么能量e进入金属中的过程就可描述为一维下，以两个温度为变化量的扩散模型：在上式中，z为与固体目标表面垂直的一个分量，Q(z)是热流量，S为激光加热源项，I(t)是激光光强，A=1-R和α分别是材料表面透射率和材料的吸收常数，C和i C分别是电子和晶格系统的单位e体积比热容，γ是电子-晶格耦合的特征参量，k是电子的热导率。
e在上式中，忽略了晶格系统中的热导率。
电子比热容远远低于晶格比热，因此电子会被加热到一个非常高的瞬时温度。
当电子的温度（单位能量）残留小于费米能量时，电子比热容和非平衡态的电子比热容可以用公式e e e T C C '=（其中'e C 是常量）和i e i e T T T k k /)(0⋅=（其中i T k )(0是金属物正常平衡态下的比热容）。
耦合系数γ和最新的测量结果在资料中给出。
方程（1-3）中有三个特征时间量e τ、i τ和L τ，其中γτ/e e C =是电子的冷却时间，γτ/i i C =是晶格的加热时间（i e ττ<<），而L τ是激光脉冲的持续时间。
这三个参数定义了激光和金属相互作用的三种不同环境，分别称为飞秒，皮秒和纳秒环境。
飞秒脉冲首先我们考虑到激光脉冲持续时间小于电子冷却时间，e L ττ<<。
对于e t τ<<，可写成e e e T t T C γ>>/，忽略掉电子-晶格耦合。
所以（1）式可以很容易的解得。
由于用一般解法解决此式会非常繁琐，所以在我们的公式里忽略电子热导率。
这样就能得出，在条件满足2-<ατL e D ，则e e e C k D /=就是电子热能扩散系数。
可将（1）式还原成为可得到这里0)(I t I =是假定的常数，A I I a 0=，而)0(0e T T =是初始温度。
最终激光脉冲电子温度有下式给出规定0)(T T L e >>τ，L a a I F τ=是激光吸引的影响，αδ/2=是表面厚度。
激光脉冲引起的电子和晶格的温度变化由公式(1-3)描述，其中S=0.电子和晶格的初始温度条件由（6）式给出，其中0T T i =。
由于能量传输到晶格，热量导入了物体的其他地方，在激光脉冲后，电子得以快速冷却。
因为电子冷却时间很短，（2）式就能写成i L e i t T T ττ/)(≈（此处初始晶格的温度被忽略了）。
晶格可到达的温度已经由电子平均冷却时间γττ2/)('L e e a e T C =决定了，可以得到关于金属电子收到飞秒激光照射后的热运动，在去年已经进行了集中的研究。
研究展示了在1ps 内，电子的快速冷却同时有大量能量传输到晶格之中。
实验揭示了当i i T C 增长到大于Ωρ出现明显的蒸发现象，其的ρ是密度，Ω为单位体积物体的蒸发热量。
利用（7）式，可写出出现此蒸发现象所需的条件其中αρ/Ω≈th F ，th F 是飞秒脉冲产生蒸发的阈值激光能量密度。
而激光溶解深度百分比由L 表示这个对数的得出依赖于激光能量密度所对应的溶解深度已经由激光溶解有机聚合物中给出了。
由于用飞秒激光进行溶解时，接触到固体的时间非常短就能完成溶解过程，所以把这个过程看作固体直接气化（或者固体直接液化）。
这时的晶格在1ps 内被加热，结果就是物体变为气态或者离子态，继而在真空中快速的扩散。
整个过程的热传导在一次近似中就被忽略掉了。
实践证实了，飞秒激光加工的利处在于能够给金属（以及其他固体）加工提供一个精确而又干净的加工过程。
皮秒脉冲现在我们开始讨论皮秒激光溶解技术，所有结论都建立在以下条件i L e τττ<<<<之上。
由e e e T t T C γ<</得到e t τ>>，（1）式的电子温度变成稳定的，（1-3）式可化为（2）式为晶格温度，写为积分形式。
方程描述了被激光溶解的金属在e L ττ>>下的受热情况。
当条件i t τ<<被满足时，由于电子温度是稳定的，则（11）式可被简化。
忽略0T ，就得到公式表明。
在飞秒环境下，晶格温度的保持远少于电子温度。
这就允许我们在公式（10）中忽略晶格温度。
当条件满足e e e T T k γα<<2，对（10）式和（12）式的分析就变得十分简单了。
在此情况下，由于能量转移至晶格中，导致电子冷却。
电子温度和晶格温度在激光照射后由公式给出。
我们注意到，晶格在被激光照射后所能达到的温度又能由电子冷却时间决定。
有L e ττ<<，激光照射过后的晶格温度和理论上可达到的晶格温度基本相等。
在飞秒和皮秒条件下，（7）式和（13）式表示晶格温度的式子是相同的。
因此，（8）式中给出的关于强蒸发的条件，（9）式中，脉冲的能量密度阈值和溶解深度均不改变。
这样的话，在皮秒范围内，溶解深度和激光能量的对数依然成立。
在我们的推导中，都忽略了被溶解物中电子的热传导。
这样的假设在描述皮秒范围内激光溶解金属的研究中就显得很粗略。
在此条件下的激光溶解都伴有电子热传导和金属内部被融化区域的形成。
尽管如此，在表面区域我们仍将蒸发看作由固体直接气化（或者固体直接液化）的变化过程，而在内部的液化只是降低了溶解过程的精确性（见下篇）。
纳秒脉冲在此简单讨论下纳秒激光溶解技术，以下各式均满足条件i L ττ>>。
如此，电子和晶格温度就有T T T i e ==，（1-3）式就简化为各种实验和理论的研究指出，激光会对金属目标加热。
在此激光范围内，被吸收的激光能量先加热金属表面至熔点，然后再至蒸发温度。
比起融化，金属蒸发需要更多的能量。
在整个过程中，主要的能量缺失在热传导入被溶解物的时发生的。
热量穿透深度由21)(~Dt l 决定，D 是热散失系数，i C k D /0=。
注意到长波脉冲溶解金属的普遍条件为12>>ατL D 。
被溶解金属内单位体积的能量存储量是l t I E a m ρ/~。
当时间th t t =，能量变的比蒸发热所需能量Ω更多，蒸发现象就这样发生了。
由条件Ω~m E 可得到2)/(~I D t th ρΩ。
如此可知，强蒸发发生的条件就是Ω>m E （或表示为th L t >τ），就公式分别写出了激光强度和能量密度。
阈值激光密度是随着长波脉冲的蒸发而增长，增长率为21Lτ。
长波激光脉冲溶解需要足够时间，使热流传到金属中而且相对比较深层的融化原料。
由于液态金属的蒸发现象，在真空中使用纳秒激光精确的溶解金属是非常困难的。
2、实验方案以及结果现在我们讨论低能量密度激光溶解物体的实验结果。
蓝宝石激光系统基于啁啾激光的扩展技术。
在材料【22】中对重要的步骤进行了细致的描述。
这个系统提供给780nm 波长的激光脉冲高达100mJ 的能量。
由于CPA 技术，脉冲持续时间的变化范围能够从200fs 到400ps 。
但脉冲持续时间与脉冲宽度无关，脉冲宽度始终不变（约为8nm ）。
脉冲持续时间的度量，如果低于10ps ，由一种自相关器给出，而高于10ps 的则由一台快速皮秒相机来进行测量（Hadland ，IMACON 500）。
当再生放大器没有被使用的时候，脉冲宽度在3-5ns 的激光会被飞秒振荡器捕获（Coherent,MiraBasic ）。
再生放大器的运作与振荡器相同，而且对一些特别宽度的脉冲会特别的方便。
纳秒脉冲持续时间会由一个光电二极管分别连接到一个快速采样示波器和一个快速移动相机上。
实验在低能量密度的环境（2/51.0cm J F -=）中进行，并以成像几何的方法显示出来。
把一个狭缝（mm d 5=）放置在光路上，就会被一个焦距为140mm 得石英透镜映射到目标物体表面成像（缩小倍数约为30/1）。
激光通路的直径约为20mm 。
如同用钢，铜，氮化铝或是硅等板材作为溶解目标。
这些板材至于至于真空环境中，且周围压力低于mbar 410-，并由电脑控制其x,y,z 坐标轴的位置。
那些钻透目标板材时所需要的关于脉冲的数据，由一个安装在目标物上的光电二极管控制着。
最开始，我们对激光作用于金属目标提出结论。
对m μ100厚度的钢泊（在真空中）以不同的频率的激光脉冲进行打孔，分别是：飞秒，皮秒和纳秒。
图1为飞秒脉冲溶解的示意图，还有以频率为200fs,激光能量为J μ120，2/5.0cm J F =的激光所打出的孔的照片。
图1、上方为飞秒脉冲溶解的示意图。
下方为以频率为200fs,激光能量为J μ120，2/5.0cm J F =的飞秒激光对厚度为mμ100的钢泊进行打孔的SEM 照片。
就像我们看到的一样，没有融化金属的痕迹。