當(dāng)下，超快激光器（如皮秒和飛秒激光器）已經(jīng)在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而在放大系統(tǒng)方面取得的進(jìn)展，則極大地推動(dòng)了超快激光器領(lǐng)域的發(fā)展，為各個(gè)行業(yè)（特別是材料科學(xué)）帶來(lái)了巨大的效益。

讓人欣喜的是，科學(xué)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(shì)，超快激光器已成為精確助推特定應(yīng)用的最佳選擇。

（圖片來(lái)源：NIST）

用于納米材料結(jié)構(gòu)的超快激光器

最近，研究和商業(yè)材料科學(xué)部門對(duì)利用超快激光器來(lái)產(chǎn)生納米級(jí)參數(shù)這一領(lǐng)域產(chǎn)生了濃厚興趣。全球工業(yè)界對(duì)小型化的關(guān)注，以及新型制造技術(shù)和工具（如超快激光器）的興起，使制造出來(lái)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(jìn)方法，就是將高能量的超快激光以足夠的強(qiáng)度引導(dǎo)到其表面，來(lái)刺激和去除材料。

除了直接燒蝕過(guò)程外，當(dāng)表面被激發(fā)時(shí)，另一種利用超快激光的結(jié)構(gòu)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(zhǎng)周期性的規(guī)則圖案，稱為超快激光誘導(dǎo)的周期性表面結(jié)構(gòu)。

而對(duì)于大塊納米結(jié)構(gòu)至關(guān)重要的最初概念，則涉及所謂的“微爆炸”（microexplosion）。這個(gè)概念需要用超快激光刺激高密度等離子體，從而導(dǎo)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(jí)結(jié)構(gòu)是通過(guò)超快激光的精確聚焦來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

超快激光制備納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛而多樣。它們?cè)诠鈱W(xué)、力學(xué)和生物學(xué)方面具有高性能的功能，尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生在光學(xué)波長(zhǎng)范圍內(nèi)時(shí)——這可歸因于與表面形貌、特定表面特征或特征尺寸有關(guān)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(yán)重依賴焊接，但通過(guò)傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)可靠的陶瓷焊接仍然是一個(gè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。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(yīng)用中不可或缺，但在連接陶瓷時(shí)也提出了巨大的挑戰(zhàn)。

不過(guò)，最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇文章，則突出了超快激光焊接陶瓷的優(yōu)點(diǎn)。超快激光器提供的精確能量傳遞在增材制造中起著關(guān)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(shí)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(shí)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(guò)程，導(dǎo)致局部吸收和熔化。

科學(xué)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(shù)將光聚焦在陶瓷內(nèi)部的界面上，形成一個(gè)光學(xué)相互作用體，刺激非線性吸收過(guò)程，導(dǎo)致陶瓷表面發(fā)生局部熔化而不是燒蝕。該研究的關(guān)鍵因素是線性和非線性光學(xué)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(kuò)散鍵相當(dāng)?shù)募羟袕?qiáng)度。激光焊接現(xiàn)在可以將陶瓷集成到用于苛刻環(huán)境的設(shè)備中，以及集成到需要在可見(jiàn)到無(wú)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?yàn)樗鼈兛梢酝ㄟ^(guò)材料聚焦。這允許在多個(gè)相互作用區(qū)域連接更復(fù)雜的幾何形狀，從而擴(kuò)大潛在的焊接體積。

用于材料加工的超快激光器

在過(guò)去的十年中，超快激光在材料加工中的應(yīng)用得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，其科學(xué)、技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用日益明顯。

在用于制造領(lǐng)域的超快激光器領(lǐng)域，光能通過(guò)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(guò)雙光子或多光子激發(fā)實(shí)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(shí)間尺度上發(fā)生。

目前，科學(xué)家們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在管理超快激光和熱過(guò)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(xué)與應(yīng)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(zhǎng)工作，并已經(jīng)在汽車、建筑和打標(biāo)標(biāo)記領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)。

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(yīng)用中發(fā)揮了重要作用，特別是當(dāng)它涉及到脆性和硬透明材料的表面和大塊結(jié)構(gòu)時(shí)。此外，當(dāng)需要以復(fù)雜的3D方式復(fù)雜地結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層狀材料時(shí)，超快激光器（如飛秒激光結(jié)構(gòu)）被證明是非常有效的。

超快激光加工過(guò)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(gè)很精彩的過(guò)程；然而，正如《先進(jìn)光學(xué)技術(shù)》（Advanced Optical Technologies）最近的一篇文章所指出的那樣，這一過(guò)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(gè)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(dá)12％左右——這個(gè)效率百分比對(duì)高斯超快激光器的工業(yè)應(yīng)用提出了許多新的可能。

處理光學(xué)系統(tǒng)是超快激光器的一個(gè)重要組成部分，它可以引起非線性效應(yīng)，改變發(fā)射脈沖的特性。這可能會(huì)影響脈沖持續(xù)時(shí)間和超快激光器的光譜等參數(shù)。在極端情況下，光學(xué)元件內(nèi)部的強(qiáng)烈能量，可能導(dǎo)致超快激光對(duì)目標(biāo)材料的破壞。

超快激光器在材料科學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)步和大數(shù)據(jù)分析的結(jié)合，在材料科學(xué)領(lǐng)域的超快激光材料加工應(yīng)用中，工藝、結(jié)構(gòu)和性能之間將有望建立起更可靠的相關(guān)性。這種方法有望簡(jiǎn)化超快激光在材料增材制造中的使用，提高計(jì)算精度，為實(shí)現(xiàn)各種商業(yè)目標(biāo)提供有效手段。來(lái)源：OFweek激光網(wǎng)