當下，超快激光器（如皮秒和飛秒激光器）已經(jīng)在材料科學和工程領域得到了廣泛的應用。而在放大系統(tǒng)方面取得的進展，則極大地推動了超快激光器領域的發(fā)展，為各個行業(yè)（特別是材料科學）帶來了巨大的效益。

讓人欣喜的是，科學家們已經(jīng)可以充分利用超快激光器改變各種材料的特性。憑借其超高分辨率和短脈沖優(yōu)勢，超快激光器已成為精確助推特定應用的最佳選擇。

（圖片來源：NIST）

用于納米材料結(jié)構的超快激光器

最近，研究和商業(yè)材料科學部門對利用超快激光器來產(chǎn)生納米級參數(shù)這一領域產(chǎn)生了濃厚興趣。全球工業(yè)界對小型化的關注，以及新型制造技術和工具（如超快激光器）的興起，使制造出來的產(chǎn)品變得更加小巧、緊湊。

Nanophotonics雜志最近的一篇文章指出，工業(yè)上用于塑造各種材料（尤其是固體）的最先進方法，就是將高能量的超快激光以足夠的強度引導到其表面，來刺激和去除材料。

除了直接燒蝕過程外，當表面被激發(fā)時，另一種利用超快激光的結(jié)構現(xiàn)象也出現(xiàn)了——這需要將表面形貌轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂衼啿ㄩL周期性的規(guī)則圖案，稱為超快激光誘導的周期性表面結(jié)構。

而對于大塊納米結(jié)構至關重要的最初概念，則涉及所謂的“微爆炸”（microexplosion）。這個概念需要用超快激光刺激高密度等離子體，從而導致大量電子壓力、沖擊波和多毫巴水平的稀有元素的發(fā)展。納米級結(jié)構是通過超快激光的精確聚焦來實現(xiàn)的。

超快激光制備納米結(jié)構的應用領域廣泛而多樣。它們在光學、力學和生物學方面具有高性能的功能，尤其是當結(jié)構發(fā)生在光學波長范圍內(nèi)時——這可歸因于與表面形貌、特定表面特征或特征尺寸有關的特性。

超快激光：焊接陶瓷的唯一有效方法

現(xiàn)代制造業(yè)嚴重依賴焊接，但通過傳統(tǒng)方法實現(xiàn)可靠的陶瓷焊接仍然是一個無法實現(xiàn)的目標。同樣優(yōu)異的耐高溫性能，使得工程陶瓷在許多具有挑戰(zhàn)性的應用中不可或缺，但在連接陶瓷時也提出了巨大的挑戰(zhàn)。

不過，最近發(fā)表在《科學》雜志上的一篇文章，則突出了超快激光焊接陶瓷的優(yōu)點。超快激光器提供的精確能量傳遞在增材制造中起著關鍵作用，并且在陶瓷連接中具有高效的潛力。值得注意的是，已經(jīng)有用超快激光器連接各種類型玻璃的成功實例。

一些用超快激光成功焊接的玻璃（如硼硅酸鹽），與典型的工程陶瓷（如穩(wěn)定的氧化鋯和氧化鋁）相比，具有較低的斷裂韌性和抗熱震性。能否在陶瓷中實現(xiàn)成功的超快激光連接，取決于激光在材料內(nèi)部的聚焦能力，從而觸發(fā)非線性和多光子吸收過程，導致局部吸收和熔化。

科學家們研發(fā)出了一種新型的超快脈沖激光焊接方法。該技術將光聚焦在陶瓷內(nèi)部的界面上，形成一個光學相互作用體，刺激非線性吸收過程，導致陶瓷表面發(fā)生局部熔化而不是燒蝕。該研究的關鍵因素是線性和非線性光學特性之間的相互作用，以及激光能量與材料的有效耦合。

使用這種激光焊接方法生產(chǎn)的陶瓷組件，不僅保持了高真空條件，還表現(xiàn)出與金屬－陶瓷擴散鍵相當?shù)募羟袕姸�。激光焊接現(xiàn)在可以將陶瓷集成到用于苛刻環(huán)境的設備中，以及集成到需要在可見到無線電頻譜中具有透明度的光電子和電子產(chǎn)品的封裝中。

超快激光在焊接透明陶瓷中發(fā)現(xiàn)了特殊的多功能性，因為它們可以通過材料聚焦。這允許在多個相互作用區(qū)域連接更復雜的幾何形狀，從而擴大潛在的焊接體積。

用于材料加工的超快激光器

在過去的十年中，超快激光在材料加工中的應用得到了長足的發(fā)展，其科學、技術和工業(yè)應用日益明顯。

在用于制造領域的超快激光器領域，光能通過脈沖從緊密聚焦的飛秒或皮秒超快激光器中利用，并定向到材料內(nèi)的高度特定位置。這是通過雙光子或多光子激發(fā)實現(xiàn)的，在比光激發(fā)電子和晶格離子之間的熱能交換快得多的時間尺度上發(fā)生。

目前，科學家們已經(jīng)實現(xiàn)了在管理超快激光和熱過程的光電離方面的最大精度，使小于100納米的區(qū)域的局部光修飾成為可能。

根據(jù)發(fā)表在《光：科學與應用》（Light：Science）雜志上的文章，超快激光器通常在連續(xù)波（CW）或脈沖模式下以10μm或1μm波長工作，并已經(jīng)在汽車、建筑和打標標記領域做出了重大貢獻。

例如，像飛秒（fs）激光器這樣的超快激光器在要求高精度的應用中發(fā)揮了重要作用，特別是當它涉及到脆性和硬透明材料的表面和大塊結(jié)構時。此外，當需要以復雜的3D方式復雜地結(jié)構復合材料和層狀材料時，超快激光器（如飛秒激光結(jié)構）被證明是非常有效的。

超快激光加工過程中面臨的挑戰(zhàn)

利用超快激光加工和功能化材料是一個很精彩的過程；然而，正如《先進光學技術》（Advanced Optical Technologies）最近的一篇文章所指出的那樣，這一過程中有些挑戰(zhàn)必須得去克服。

許多現(xiàn)代超快激光器的燒蝕深度只有幾百納米。這意味著需要將大量的超快激光脈沖定向到單個區(qū)域以燒蝕材料。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達12％左右——這個效率百分比對高斯超快激光器的工業(yè)應用提出了許多新的可能。

處理光學系統(tǒng)是超快激光器的一個重要組成部分，它可以引起非線性效應，改變發(fā)射脈沖的特性。這可能會影響脈沖持續(xù)時間和超快激光器的光譜等參數(shù)。在極端情況下，光學元件內(nèi)部的強烈能量，可能導致超快激光對目標材料的破壞。

超快激光器在材料科學中有著廣泛的應用。隨著人工智能技術的進步和大數(shù)據(jù)分析的結(jié)合，在材料科學領域的超快激光材料加工應用中，工藝、結(jié)構和性能之間將有望建立起更可靠的相關性。這種方法有望簡化超快激光在材料增材制造中的使用，提高計算精度，為實現(xiàn)各種商業(yè)目標提供有效手段。來源：OFweek激光網(wǎng)