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              超快激光器的发展及应用

              2012-05-23 14:45:22??????点击:


                  随着激光技术飞速发展,超快激光出现了人们的视线之中,它具备独特的超短脉冲、超强特性,能以较低的脉冲能量获得极高的峰值光强。超短脉冲啁啾放大技术(ChirpedPulseAmplification,CPA)的出现使超快激光的强度得到大大提高。与传统长脉冲激光及连续激光不同,超快激光有着超短的激光脉冲,这使得激光脉冲的频谱宽度相当大。这样宽的频谱在进行诸如原子能级研究,激光选键化学等方面都具有重要的应用。

                利用超快激光脉冲短的特点,可以采用泵浦-探测的方式,将激光脉冲与物质相互作用现象在不同的时刻照相,以期获得整个过程的特点。这个方法已经被应用到各个领域,如在原子与分子反应动力学研究中以及观察电子的运动,利用飞秒激光脉冲甚至阿秒脉冲,通过泵浦-探测的方法观察到反应过程。聚焦后的超快激光,其峰值功率密度超过1013W/cm2时,所产生的电场强度就已经大于原子的内电场。它提供的极强极高的电场,能够超过价带电子的束缚力,使分子、原子的电子体系发生巨大变化。利用这个特性,人们可以研究由于超快激光导致原子内部产生的奇特现象。并且,超快激光还显示出其它不同的特性,如热影响区域小、作用效果能够超过光学衍射极限、优秀的空间选择特性。

                超快超强激光脉冲与物质的相互作用是是当前活跃的研究课题之一。它在新型的粒子加速器、超快高能X射线光源等方面,都有着广泛的应用前景。同时,它包含多方面理论和实验研究内容的课题,涉及到物理学的许多重要分支,如激光物理、原子分子物理、非线性光学、等离子体物理、热力学等。

                随着超短激光脉冲技术的不断发展,实验上己经能够产生高强度的周期量级超短脉冲,为光与物质的相互作用研究提供了前所未有的实验手段和极端的物理条件,开拓了光与物质相互作用的崭新的研究领域,产生了所谓的极端非线性光学,大大丰富了光学的研究内容,将激光与原子、分子、离子、电子团簇以及等离子体等各种形态的物质之间的相互作用研究拓展到高度非线性和相对论的强场范围。

                超快超强激光与物质的相互作用过程中,随着激光强度的不断提高,各种非线性效应不断增强,出现了高次谐波、阈上电离、隧穿电离等现象,并且周期量级超短激光脉冲失去了波动现象所特有的周期性特征,从而导致一系列全新的物理现象与规律。它提供了一种新的实验工具应用于相干控制、非线形光学以及新近兴起的亚周期电子波包的控制等领域,并提供了一种新的时间测量尺度-阿秒,将可能对众多学科领域产生重要影响。

                 

              第一代超快激光器使用掺钛蓝宝石作为激光有源材料,于20世纪90年代早期被商业化推出。

                1999年,诺贝尔化学奖被授予AhmedZewail教授,以表彰他在超短时间化学反应分析工作上取得的成就。在十年之内,从一种新技术发展到应用该技术且获得诺贝尔奖,这展示了超快激光器为科学领域带来的革命性变化。

                在这十年间,尽管当时的激光器未能满足各种工业对它们在性能、成本、规格和可靠性方面的要求,但是超快激光器在新工业或医疗应用中的潜力已经显而易见。

                2000年左右,采用掺镱激光材料和电信级半导体的新一代二极管泵浦超快激光器推向市场。这些紧凑型高功率、高度可靠性以及性价比高的超快激光源为快速扩展的市场拓展了工业应用。结果是,过去十年中,安装数量逐年翻番。

                如今,业界已能提供商业工业超快激光器,具有从飞秒到皮秒级的大范围脉宽,平均功率范围几十瓦,能够用于苛刻的工业和医疗环境。

                超快激光器在极短时间内聚集脉冲能量,形成极高功率密度。紧凑型台式超快激光器提供的功率甚至可超越核电站。由于具有如此之高的功率,其激光可以加工几乎任何类型的材料,包括传统的、很难加工的材料,例如金属、陶瓷和玻璃。

                另外,由于脉宽极小,加工期间几乎不产生多余的热量,这种无热加工的效果和质量极佳。另外,在进行微机械加工时,不会产生熔化、开裂、汽化或者其它有害散热。

                超快激光器现被用于追求高质量加工效果的工业应用,例如:

                选择性融蚀,用于加工半导体、显示屏或光伏产业用的薄膜;

                无应力内雕,用于制药和奢侈品行业中的防伪应用;

                眼睛屈光手术,包括视力矫正和白内障手术;

                微电子工业的高质量微机械加工应用;

                应用于显微镜成像领域

                非线性或多光子成像是超快激光器的重要应用之一。激光器制造商正在从操作的简便性、调谐范围和系统灵活性这几个方面不断改进超快激光器产品,进一步支持该领域的发展。

                非线性成像技术是一种行之有效的工具,其通过提供独特的数据来帮助生物学家将特定的分子活动与细胞乃至整个生物体的功能和结构紧密联系起来。目前有两大主要发展趋势影响着可调谐超快激光器的设计,以实现在衍射极限或近衍射极限情况下的非线性显微成像:第一是需要更长的波长来实现更深度的成像和更少的光损伤;第二是使用更加灵活的系统来支持多模式成像。同时,系统灵活性不但能减少实验的建立时间,而且还能令激光器的价值最大化。

                更宽的调谐范围和更长的激发波长

                非线性成像能够受益于超快激光光源更宽的调谐范围,尤其是在长波长区域。更宽的调谐范围能够支持荧光体-染料、指示剂和荧光蛋白的样品需求,这些样品在尖端生物学领域的应用不断增加。此外,对于二次谐波和三次谐波成像而言,更宽的调谐范围能够使这些成像技术工作在一个更加合适的波段,而这一波段正好能够与其他实验参数和限制相匹配。重要的是,扩展超快显微镜激光器的调谐范围到更长波长,使得对更深层次组织的成像成为可能。

                应用于医疗设备制造

                医疗设备是具有高附加值的产品,在质量方面要求严格,通常要求采用挑战性的工业制造工艺?;谡庑┰?,超快激光器在医疗设备制造领域获得大量应用。

                著名的应用是支架制造。支架是一种由金属或聚合物制造而成的假体。它可用于扩张术,使得在血管或腔体狭窄或闭塞的情况下血液能够流入闭塞的动脉。激光切割支架的质量优良且功能多样,现今是支架及其辅助工具的主要制造工艺。

                典型的支架是采用激光束切割其框架的小型管道,因此管道的性能与弹簧相似,可以防止手术之后动脉收缩。取决于型号和制造商而定,支架的直径从1.2毫米至3.5毫米不等,壁厚为0.10毫米至0.25毫米??梢钥悸侨植煌闹Ъ埽?

                采用金属、不锈钢(80%)或镍钛合金(即含有镍和钛金属的、可以记忆形状的合金,20%)制造的简单支架。

                金属支架加上某些活性物质,以防通道再次出现狭窄的情况。采用“几步洗脱”在支架上添加活性物质,以提高支架的耐用性。通过支架上的微型贮液囊或者涂层来执行洗脱。这些支架占据了每年实际支架手术的主要份额(大于75%)。

                最近出现的生物可吸收支架,一般采用PLLA(聚乳酸)聚合物制造。这些产品也可添加活性物质。使用时,支架缓慢降解并在动脉愈合之后逐渐融于血液之中,这一过程需要几个月或者多达一年或两年的时间。近来,生物可吸收聚合物支架已经通过CE认证,可在欧洲使用。

                由于生物可吸收支架采用聚合物制造,这种材料对于热效应极其敏感,采用长脉冲激光进行机加工时,不能保证足够好的质量,而且切割工艺会产生热量,因此需要采用超快激光加工工艺制造这些支架,以达到优质的制造效果。

                另一方面,如今采用长脉冲激光加工金属支架,脉宽通常为s或ns级别。

                激光切割技术的应用始于管道,仅仅是支架制造工艺中的一部分。其它工艺包括修边、机械延展和热处理、电抛光、消毒和杀菌以及包装。根据激光的用途,激光切割期间在管道内使用水流做湿切割。辅助气体也可以提高整体的切割质量。通常,切割宽度为10至20m,精确度为5m,切割速度为5mm/s。

                后期加工步骤占据着制造总成本中的大部分。由于超快激光器光束切割金属的质量优于长脉冲激光,因此,后期加工阶段成本大幅降低。

                制造总成本包括摊销激光器投资、激光器工作成本以及后期加工成本。超快激光器的投资成本一般高于其它技术。但是,它们的工作成本低,还可以大幅降低后期加工成本。另外,由于激光器功率和重复率持续改进,这将大幅增加加工产量。

                所有这些因素推动了超快激光器在支架制造中的应用大量增长,这种趋势在未来几年中还将继续。

                概括地说,医疗设备制造中工业工艺的日益发展,受益于超快激光器可实现高质量加工,包括激光切割脉管设备(阀门、神经支架);在导管或针上进行激光微钻孔;以及对可移植的生物相容元件做表面微处理。

                新兴应用将逐渐找到其更为广泛的用武之地。例如,超快激光器的直接激光打印允许将活性细胞精确沉积到生物基板上,精确度高,细胞死亡率低,对于组织工程或重构有着令人兴奋的前景。

                超快激光器也用作微型超薄切片机,精确切除或切开组织或生物样本。这些技术目前正被延伸到纳米级,允许在细胞内开展纳米解剖。在其它领域,超快激光器正成为制造生物芯片的一种重要工具,这种生物芯片集成了机械、光学和微流体功能。

                采用工业超快激光器,可以进行高质量加工,用于医疗设备制造等应用极其理想。动态科学与工业领域推动了新型工业应用日益发展。超快激光器技术的进一步发展将促使其平均功率更高、重复率更高以及尺寸更小,这意味着越来越多的新应用将具有经济竞争力,在未来的制造工艺中发挥重要的作用。


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