過去十年中，超快光纖激光器技術(shù)在總功率、脈沖和光束質(zhì)量、易用性和穩(wěn)健性等方面取得了長足的進(jìn)步。因此，超快光纖激光器開始應(yīng)用于多個(gè)制造行業(yè)中對(duì)材料進(jìn)行高效、高精度的加工。本文章總結(jié)了最近用高脈沖重復(fù)頻率的超快光纖激光器進(jìn)行材料微加工的幾項(xiàng)研究進(jìn)展。特別有趣的是，在一些其他的材料研究中，幾種激光加工的材料被發(fā)現(xiàn)了新的特性和功能，這導(dǎo)致超快光纖激光器不僅被當(dāng)作一種強(qiáng)大的材料成型工具，同時(shí)也有可能成為一種有效的材料制備工具。

　　玻璃和塑料焊接

　　對(duì)于大部分精密的材料加工應(yīng)用來說，在工件中產(chǎn)生的多余熱量是不需要的。然而，對(duì)于透明材料的微焊來說，精密控制的熱量積蓄對(duì)于融化材料并形成焊縫非常關(guān)鍵。聚焦的超短脈沖的高強(qiáng)度會(huì)引起透明材料中的非線性吸收，因此只會(huì)在兩種材料的接觸面上激光焦點(diǎn)周圍很小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量。每一個(gè)激光脈沖都會(huì)產(chǎn)生很少的熱量，如果焦點(diǎn)區(qū)域在下一個(gè)脈沖來之前就冷卻下來，那么這個(gè)熱量也就可忽略不計(jì)。如果脈沖之間的空間重疊以及脈沖重復(fù)頻率足夠高(數(shù)百kHz及以上)，熱量將迅速地在這一區(qū)域積累并引起材料熔化。可以通過改變重復(fù)頻率及光束掃描速度來精確地控制熔化的量。這一技術(shù)已經(jīng)在玻璃和塑料焊接上得到了應(yīng)用。圖1展示了兩塊玻璃之間焊接面的截面。這種無需密封的高速、精確的焊接有許多好處，例如在制造太陽能電池板時(shí)面板邊緣需要密封，目前要用專門設(shè)計(jì)的密封膠和熱熔系統(tǒng)來完成。

　　“脈沖串模式”脈沖激光沉積脈沖微光切割你了解多少？

　　脈沖激光沉積制造薄膜技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于新材料開發(fā)的基礎(chǔ)研究中。大功率納秒脈沖激光燒蝕往往會(huì)在等離子體羽輝(羽毛狀的發(fā)光團(tuán))中形成大的熔滴，這會(huì)影響薄膜質(zhì)量。有許多機(jī)械和電子的方法可以控制燒蝕的羽輝來補(bǔ)救熔滴的問題。高重復(fù)頻率的超快光纖激光器提供了一種替代解決方案。特別是將激光脈沖集合在一起形成一個(gè)脈沖串(bursts)，每個(gè)脈沖串包含數(shù)個(gè)單獨(dú)的脈沖，這可以實(shí)現(xiàn)更為精確的熱量控制，讓靶標(biāo)物直接氣化而不會(huì)形成大的熔滴。

　　光纖激光體系可以直接從激光光源快速地輸出脈沖串，稱為脈沖串模式。例如，如圖2(a)所示，在進(jìn)入放大階段之前，可以用聲光調(diào)制器從50MHz的振蕩器中篩選種子脈沖，最后輸出的是由多級(jí)脈沖組成的脈沖串，而且相鄰脈沖的間隔為20納秒。20納秒的脈沖間隔非常短，可以引起多重累積效應(yīng)，包括靶標(biāo)物的熱量以及燒蝕羽輝和緊隨其后的激光脈沖間的熱量，最終這將可以優(yōu)化薄膜質(zhì)量。圖2(b)展示了用這種方法沉積的TiO2薄膜。如圖中的透射電子顯微鏡圖(TEM)所示，薄膜的質(zhì)量非常高，薄膜表面達(dá)到了原子級(jí)別的平滑程度，薄膜和基質(zhì)間的界面也很平滑。用光學(xué)顯微鏡觀察100毫米的區(qū)域也沒有發(fā)現(xiàn)大的熔滴。

　　表面微造型

　　作為一種替代性的表面處理方法，與傳統(tǒng)的噴砂法和化學(xué)腐蝕法相比，激光表面微造型技術(shù)(LST)可以通過其具有的高精度和預(yù)設(shè)計(jì)的方式來改進(jìn)摩擦學(xué)性能。另一方面，眾所周知，幾十年來激光燒蝕也可以在包括亞波長至幾百納米尺度范圍的固體表面上制作規(guī)則的圖案。這種成型方法通?？梢杂帽砻嫔⑸洳ê图す夤馐g的耦合干擾來解釋。在實(shí)踐中，這種現(xiàn)象在接近燒蝕閥值時(shí)最為突出?？紤]到干擾的性質(zhì)，可以通過改變激光偏振來控制圖案的定位。然而，這種有趣的現(xiàn)象并沒有得到廣泛的應(yīng)用。

　　在最近的研究中，我們發(fā)現(xiàn)在某些條件下激光造型的金屬表面會(huì)變得高度疏水(它們排斥水)。圖3(a-b)顯示了用線偏振和圓偏振制成的激光誘導(dǎo)線形和顆粒形表面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖3(c)顯示了不銹鋼表面的激光圖案上的水滴的影圖。水滴的銳角小于30°，這表明金屬表面是高疏水性的，這使得有可能形成由多孔的固體和困于其中的空氣組成的復(fù)合表面，從而將與水接觸的面積最小化。

　　當(dāng)可以用高重復(fù)頻率的超短脈沖激光器和機(jī)器人來處理大面積、超疏水的金屬表面時(shí)，可以用這種技術(shù)來生產(chǎn)大型戶外設(shè)備，例如具有防覆冰表面的風(fēng)力機(jī)葉片。行業(yè)現(xiàn)在仍在尋找一種有效的方法，目前比較成功的光刻法仍然局限于研究實(shí)驗(yàn)室中，而且價(jià)格昂貴。

　　透明介質(zhì)上的激光打印

　　脈沖激光沉積的一種特殊變體是激光誘導(dǎo)反向轉(zhuǎn)移(LIBT)技術(shù)，可以應(yīng)用于高分辨率的激光直寫。這項(xiàng)技術(shù)是用激光光束穿過透明的基質(zhì)來燒蝕附近的靶標(biāo)物。激光誘導(dǎo)蒸汽被反向推動(dòng)到透明的基質(zhì)上進(jìn)行沉淀。LIBT技術(shù)在激光領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。將超快光纖激光器用于這項(xiàng)技術(shù)，我們可以進(jìn)行廣泛、連續(xù)的灰度范圍內(nèi)的圖像打印，這只能在MHz級(jí)別的高重復(fù)頻率下實(shí)現(xiàn)。圖4(a)展示了這一體系。計(jì)算機(jī)控制的光束掃描儀根據(jù)原始圖像的灰度級(jí)別來改變光束掃描速度。高重復(fù)頻率會(huì)產(chǎn)生多脈沖的空間重疊，相應(yīng)的沉積量也會(huì)累積，從而渲染出連續(xù)灰度的視覺效果。

　　這種技術(shù)可以擴(kuò)展打印材料的附加功能。圖5 是一個(gè)打印熒光文字的例子，靶標(biāo)物由磷粉組成。圖5(a)顯示了打印的文字在房間內(nèi)的燈光下呈半透明。圖5(b)顯示了用紫外線照射同樣的文字， 靶標(biāo)物的磷粉發(fā)出明亮的橙色熒光。這個(gè)示例說明超短脈沖激光燒蝕不是一個(gè)破壞性的過程， 并沒有破壞材料， 通過激光燒蝕可以保留靶標(biāo)物的某些功能特性。

　　金、銀和磁性材料的納米顆粒納米級(jí)別微型3D激光打標(biāo)機(jī)在生物醫(yī)學(xué)科學(xué)領(lǐng)域有著許多潛在的應(yīng)用價(jià)值，包括基于納米顆粒的免疫學(xué)測(cè)定、藥物靶向輸送、溫?zé)岑煼ê歪t(yī)療圖像增強(qiáng)等等。標(biāo)準(zhǔn)的納米顆粒膠體合成方法是用化學(xué)方法減少液體溶劑中的金屬前體，用表面活性劑來穩(wěn)定顆粒，阻止其聚合。這有可能會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)，對(duì)于生物應(yīng)用來說是不夠理想的。在液體中使用激光燒蝕是一種物理方法，可以生產(chǎn)高純度的金屬納米顆粒膠體。在實(shí)際應(yīng)用中，靶標(biāo)物(例如一塊金片)放在一種液體溶劑(例如水)中。激光光束聚焦在靶標(biāo)物的表面進(jìn)行燒蝕，同時(shí)在液體溶劑中也會(huì)產(chǎn)生納米顆粒?？紤]到獨(dú)特的固液相變過程，應(yīng)首選飛秒脈沖來形成納米顆粒。較高的重復(fù)頻率和光束掃描速度可以提高生產(chǎn)速度。

　　在液體中進(jìn)行激光燒蝕的一個(gè)特殊優(yōu)勢(shì)是，納米顆粒表面在燒蝕期間是帶電的，而膠體在靜電中是穩(wěn)定的，無需穩(wěn)定劑，例如在化學(xué)合成方法中廣泛使用的檸檬酸。這是特別有利的，因?yàn)樵趯?duì)納米顆粒的表面進(jìn)行生物功能基化時(shí)，金的表面更容易與其他試劑發(fā)生反應(yīng)。圖6顯示了各種材料的膠體，包括貴金屬、金屬合金和有機(jī)物，所有這些都是用超快脈沖激光在液體中進(jìn)行燒蝕而制成的。

　　總結(jié)

　　超快光纖激光器正逐漸成為材料微加工領(lǐng)域的一柄利器。除了超短脈沖持續(xù)時(shí)間，還有光纖激光體系結(jié)構(gòu)提供的MHz范圍內(nèi)的高重復(fù)頻率和脈沖串模式，這些都有助于實(shí)現(xiàn)更為精確的熱量控制和較高的處理速度。

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