深度观察：超快激光在材料科学中的应用 - 广州焊接展

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当下，超快激光器（如皮秒和飞秒激光器）已经在材料科学和工程领域得到了广泛的应用。而在放大系统方面取得的进展，则极大地推动了超快激光器领域的发展，为各个行业（特别是材料科学）带来了巨大的效益。

让人欣喜的是，科学家们已经可以充分利用超快激光器改变各种材料的特性。凭借其超高分辨率和短脉冲优势，超快激光器已成为精确助推特定应用的最佳选择。

（图片来源：NIST）

用于纳米材料结构的超快激光器

最近，研究和商业材料科学部门对利用超快激光器来产生纳米级参数这一领域产生了浓厚兴趣。全球工业界对小型化的关注，以及新型制造技术和工具（如超快激光器）的兴起，使制造出来的产品变得更加小巧、紧凑。

Nanophotonics杂志最近的一篇文章指出，工业上用于塑造各种材料（尤其是固体）的最先进方法，就是将高能量的超快激光以足够的强度引导到其表面，来刺激和去除材料。

除了直接烧蚀过程外，当表面被激发时，另一种利用超快激光的结构现象也出现了——这需要将表面形貌转变为具有亚波长周期性的规则图案，称为超快激光诱导的周期性表面结构。

而对于大块纳米结构至关重要的最初概念，则涉及所谓的“微爆炸”（microexplosion）。这个概念需要用超快激光刺激高密度等离子体，从而导致大量电子压力、冲击波和多毫巴水平的稀有元素的发展。纳米级结构是通过超快激光的精确聚焦来实现的。

超快激光制备纳米结构的应用领域广泛而多样。它们在光学、力学和生物学方面具有高性能的功能，尤其是当结构发生在光学波长范围内时——这可归因于与表面形貌、特定表面特征或特征尺寸有关的特性。

超快激光：焊接陶瓷的唯一有效方法

现代制造业严重依赖焊接，但通过传统方法实现可靠的陶瓷焊接仍然是一个无法实现的目标。同样优异的耐高温性能，使得工程陶瓷在许多具有挑战性的应用中不可或缺，但在连接陶瓷时也提出了巨大的挑战。

不过，最近发表在《科学》杂志上的一篇文章，则突出了超快激光焊接陶瓷的优点。超快激光器提供的精确能量传递在增材制造中起着关键作用，并且在陶瓷连接中具有高效的潜力。值得注意的是，已经有用超快激光器连接各种类型玻璃的成功实例。

一些用超快激光成功焊接的玻璃（如硼硅酸盐），与典型的工程陶瓷（如稳定的氧化锆和氧化铝）相比，具有较低的断裂韧性和抗热震性。能否在陶瓷中实现成功的超快激光连接，取决于激光在材料内部的聚焦能力，从而触发非线性和多光子吸收过程，导致局部吸收和熔化。

科学家们研发出了一种新型的超快脉冲激光焊接方法。该技术将光聚焦在陶瓷内部的界面上，形成一个光学相互作用体，刺激非线性吸收过程，导致陶瓷表面发生局部熔化而不是烧蚀。该研究的关键因素是线性和非线性光学特性之间的相互作用，以及激光能量与材料的有效耦合。

使用这种激光焊接方法生产的陶瓷组件，不仅保持了高真空条件，还表现出与金属－陶瓷扩散键相当的剪切强度。激光焊接现在可以将陶瓷集成到用于苛刻环境的设备中，以及集成到需要在可见到无线电频谱中具有透明度的光电子和电子产品的封装中。

超快激光在焊接透明陶瓷中发现了特殊的多功能性，因为它们可以通过材料聚焦。这允许在多个相互作用区域连接更复杂的几何形状，从而扩大潜在的焊接体积。

用于材料加工的超快激光器

在过去的十年中，超快激光在材料加工中的应用得到了长足的发展，其科学、技术和工业应用日益明显。

在用于制造领域的超快激光器领域，光能通过脉冲从紧密聚焦的飞秒或皮秒超快激光器中利用，并定向到材料内的高度特定位置。这是通过双光子或多光子激发实现的，在比光激发电子和晶格离子之间的热能交换快得多的时间尺度上发生。

目前，科学家们已经实现了在管理超快激光和热过程的光电离方面的最大精度，使小于100纳米的区域的局部光修饰成为可能。

根据发表在《光：科学与应用》（Light：Science）杂志上的文章，超快激光器通常在连续波（CW）或脉冲模式下以10μm或1μm波长工作，并已经在汽车、建筑和打标标记领域做出了重大贡献。

例如，像飞秒（fs）激光器这样的超快激光器在要求高精度的应用中发挥了重要作用，特别是当它涉及到脆性和硬透明材料的表面和大块结构时。此外，当需要以复杂的3D方式复杂地结构复合材料和层状材料时，超快激光器（如飞秒激光结构）被证明是非常有效的。

超快激光加工过程中面临的挑战

利用超快激光加工和功能化材料是一个很精彩的过程；然而，正如《先进光学技术》（Advanced Optical Technologies）最近的一篇文章所指出的那样，这一过程中有些挑战必须得去克服。

许多现代超快激光器的烧蚀深度只有几百纳米。这意味着需要将大量的超快激光脉冲定向到单个区域以烧蚀材料。此外，在最近的研究中，高斯超快激光器的材料加工效率最高可达12％左右——这个效率百分比对高斯超快激光器的工业应用提出了许多新的可能。

处理光学系统是超快激光器的一个重要组成部分，它可以引起非线性效应，改变发射脉冲的特性。这可能会影响脉冲持续时间和超快激光器的光谱等参数。在极端情况下，光学元件内部的强烈能量，可能导致超快激光对目标材料的破坏。

超快激光器在材料科学中有着广泛的应用。随着人工智能技术的进步和大数据分析的结合，在材料科学领域的超快激光材料加工应用中，工艺、结构和性能之间将有望建立起更可靠的相关性。这种方法有望简化超快激光在材料增材制造中的使用，提高计算精度，为实现各种商业目标提供有效手段。

文章来源：OFweek激光网

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