飛秒激光加工具有燒蝕閾值低、加工精度高等特點。飛秒激光燒灼閾值受輻射的脈衝(chong) 數影響，單脈衝(chong) 以及多脈衝(chong) 作用下飛秒激光燒灼閾值和孵化效應對於(yu) 可控、精確的激光加工具有十分重要的意義(yi) 。
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摘要：飛秒激光加工具有燒蝕閾值低、加工精度高等特點。飛秒激光燒灼閾值受輻射的脈衝(chong) 數影響，單脈衝(chong) 以及多脈衝(chong) 作用下飛秒激光燒灼閾值和孵化效應對於(yu) 可控、精確的激光加工具有十分重要的意義(yi) 。
一、飛秒激光處理材料的原理
飛秒作用於(yu) 透明電解質材料時，通過多光子吸收、隧穿電離、碰撞電離等過程將電子從(cong) 價(jia) 帶激發到導帶，產(chan) 生局域化的自由等離子體(ti) 。充分電離時，離子之間的碰撞，等離子體(ti) 中的電子通過逆軔治輻射吸收激光能量後，電子將會(hui) 被加熱到極高溫度，隨後電子再通過電子聲子耦合將能量傳(chuan) 遞給晶格，從(cong) 而使等離子體(ti) 溫度升高。在多激光脈衝(chong) 重複作用過程中，激光誘導形成的缺陷逐步積累，材料的光學特性逐漸發生改變。
二、飛秒激光的可行性驗證
材料的光學特性改變，已在多種材料中得到驗證。德國馬克思-伯恩非線性光學和短脈衝(chong) 光譜學研究所Ashkenasi等人發現釔理氟化物（YLF）和熔石英的表麵燒蝕閾值在第1次脈衝(chong) 激光輻射後會(hui) 發生急劇下降；日本中部大學的Qi等人發現孵化效應導致藍寶石的燒蝕閾值與(yu) 輻射在襯底表麵的激光脈衝(chong) 數成反比。
YAG 晶體(ti) 在0.25-5 μm範圍內(nei) 具有較高的透過率，是一種優(you) 良的紫外、紅外光學材料，且具有優(you) 良的熱力學性質、良好的抗溫度蠕變性，以及很強的耐高溫塑性變形能力。YAG的力學性能和化學穩定性接近藍寶石晶體(ti) ，並且沒有藍寶石的雙折射效應。
三、具體(ti) 實驗驗證
實驗采用YAG晶體(ti) ，中心波長1030 nm的飛秒激光器，脈寬約為(wei) 400 fs，重複頻率為(wei) 300 kHz。利用顯微物鏡將激光束聚焦於(yu) 樣品表麵，光斑大小3.5 um。樣品的移動通過高精度三維電控位移台實現。對YAG晶體(ti) 樣品表麵的不同位置進行輻照，所有實驗均在常溫、常壓的空氣中進行。
單脈衝(chong) 作用後的燒蝕形貌如圖所示，在單脈衝(chong) 燒蝕下，損傷(shang) 坑的直徑隨著脈衝(chong) 能量的增加而增加而增加。在飛秒激光作用後，在燒蝕坑內(nei) 和周圍形成了一定數量的納米顆粒。
圖1.單脈衝(chong) 燒蝕形貌記錄
多脈衝(chong) 作用下，孵化效應在燒蝕過程中扮演重要角色。在介電材料和半導體(ti) 材料中，由外部激光作用引起的晶格缺陷，可以在帶隙中產(chan) 生額外的能級。新的激發路徑的存在有利於(yu) 對後續激光脈衝(chong) 能量吸收。缺陷密度隨著激光輻照脈衝(chong) 數的增加而增加，直到達到飽和。同時缺陷的積累將導致有效吸收係數增加，表麵燒蝕閾值隨之降低，直到達到飽和。經測試發現，在脈衝(chong) 數較少時，燒蝕坑的直徑更小。隨著作用脈衝(chong) 數的增加，燒灼坑的直徑也隨之增加。當脈衝(chong) 數超過600後，作用材料的脈衝(chong) 數增加對直徑大小的增加效果顯著降低。
圖2.多脈衝(chong) 燒蝕形貌記錄
結語：通過1030 nm飛秒激光對YAG晶體(ti) 的燒蝕測試，可以了解單脈衝(chong) 和多脈衝(chong) 燒蝕閾值的變化規律。為(wei) YAG的飛秒激光加工處理提供了驗證實驗數據。通過飛秒激光的燒蝕實驗，驗證了飛秒激光在處理YAG這種特殊晶體(ti) 的可行性，為(wei) 以後的晶體(ti) 表麵處理、微加工提供了重要的參考解決(jue) 方案。
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