淺析飛秒激光加工和非金屬的相互作用

　　飛秒激光加工進(jìn)入人們的視野，并廣泛應(yīng)用于航空、航天和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。飛秒激光是脈寬為幾飛秒至幾百飛秒的脈沖激光。

　　當(dāng)飛秒激光作用于材料時(shí)，會(huì)發(fā)生復(fù)雜的能量傳遞及擴(kuò)散現(xiàn)象，如電子-電子馳豫及電子-晶格馳豫等過程，電子-電子馳豫及電子-晶格馳豫的時(shí)間大于飛秒激光的脈沖寬度，因此晶格在脈沖作用的時(shí)間內(nèi)基本保持原來(lái)的溫度，不發(fā)生明顯的升溫，此過程稱為飛秒激光“冷加工”。相較于長(zhǎng)脈沖的激光，飛秒激光作用于固體材料時(shí)熱量擴(kuò)散很小、可控性好，因此被廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)療，光電信息，材料表面結(jié)構(gòu)等多個(gè)領(lǐng)域。

　　飛秒激光加工與不同材料的作用機(jī)理不盡相同。金屬材料中含有大量的自由電子，當(dāng)飛秒激光輻射材料基體時(shí)，自由電子吸收激光能量使材料溫度迅速上升，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料去除。非金屬材料中的自由電子數(shù)量很少，作用機(jī)理也因此不同。

　　飛秒激光加工和非金屬的相互作用：

　　當(dāng)超高的激光能量聚焦于材料表面時(shí)，會(huì)在材料表面上形成等離子體，等離子體通過吸收光子能量達(dá)到材料的燒蝕閾值進(jìn)而去除材料。在此過程中涉及的物理現(xiàn)象主要包括多光子電離和雪崩電離。

　　在飛秒激光輻射非金屬材料的過程中，電子吸收多個(gè)光子后，將由基態(tài)躍遷到高能量的激發(fā)態(tài)并發(fā)生電離，這個(gè)過程為多光子電離。非金屬材料中的電子數(shù)量很少，通常電子以逆韌致輻射的形式吸收激光能量，成為種子電子。由于種子電子的能量較高，當(dāng)不受限制的電子與原子碰撞后，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)自由電子。此過程反復(fù)進(jìn)行，形成雪崩電離現(xiàn)象，使材料擁有大量種子電子。當(dāng)種子電子密度達(dá)到臨界密度時(shí)，形成等離子體。等離子體以逆韌致輻射的方式吸收激光能量。