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《-OFweek激光网浅谈激光材料加工的发展历程和未来展望》

  • 来源专题：光电技术研究所所级服务
  • 编译者： feng22051010
  • 发布时间：2016-01-26

  • OFweek激光网讯:在过去的四十多年中，激光技术已经在广泛的应用领域谱写了无数的成功故事甚至现在有很多应用是离开激光所无法实现的。本文将从激光光源的工业突破到不断完善的应用技术向您介绍宏观材料加工领域的激光技术发展情况。 　　万事开头难激光材料加工始于上个世纪六十年代后半期，脉冲固态激光器首先开始用于钻孔和点焊应用，连续波CO2激光器用于切割和连续波焊接。 　　宏观激光应用 (切割、焊接、硬化和熔覆等) 于上个世纪七十年代末和八十年代初被引入到工业生产实践中。CO2激光器是当时颇受欢迎的光源，因为它们在当时具有最高的加工效率，并能达到工业生产所需要的功率要求。 　　并非所有的技术和元件在早期都是可用的。激光器、用于光束传输的光学元件、聚焦元件如透镜和离轴抛物面铜镜、气体喷嘴、加工工艺以及气体供给系统都必须针对高功率和工业环境进行开发和优化。此外，所有的安全法规都有待开发，并在国际上标准化同时用于光束质量定义和测量的标准也有待发展。 　　激光光源的工业突破 1CO2激光器图1:1973年的横流CO2激光器 (左图) 和2014年的CO...

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  • 《探索 | 激光增益材料中的热导率和管理》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2022-02-23
    • 美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的研究人员回顾了纳米/微结构对多晶陶瓷光学、热学和机械性能的影响，各种常用晶体激光材料的最新发展，以及用于高功率应用的更稳健激光增益材料的潜在未来方向。 在设计固态激光系统时，热管理是最重要的考虑因素之一，因为一部分光泵功率被转换为废热，而不是光激光功率。增益介质中的热梯度会导致热透镜效应（降低光束质量）并最终导致热应力断裂。系统级的管理策略包括激光晶体的水冷和高导热散热器的使用。图 1 显示了边缘泵浦激光器设计的示意图，其中增益介质与两个散热器直接接触。增益介质和散热器之间的大接触面积允许有效散热和高总激光功率。无论泵浦/冷却方案如何，最大可传输激光功率直接与增益介质的热导率 k 成比例， k 增加 10 倍意味着激光功率提高 10 倍，因此增益介质本身的热导率对激光器的整体性能起着至关重要的作用。 自 1960 年 Maiman 首次展示红宝石激光器以来，研究人员已经研究了许多材料系统作为固态激光增益介质的候选材料。其中，应用最广泛的主体材料包括钇铝石榴石（YAG）、玻璃、蓝宝石等。随着激光技术的发展，提高激光功率的愿望越来越受到关注。如前所述，基本功率限制由热导率（控制热梯度）和机械性能（控制断裂）决定，从而导致识别和开发具有根本优越的热/机械性能的主体材料至关重要。 图1  （a）将多晶陶瓷增益介质集成到二极管泵浦激光器设计中的示意图。（b） 三个轴分别用于泵浦、激光和冷却。（c）陶瓷在冷却方向上具有微米尺寸，但在光学方向（泵浦和激光）上具有纳米尺寸，以便提供高导热性（最小声子散射）和优异的光束质量（最小双折射散射） 为此，在未来的高功率激光器设计中，有用的策略是开发微结构设计同时考虑光学和热性能的增益材料。该提议的微观结构设计中，晶粒尺寸是高度各向异性的。沿着泵浦和激光光轴时，晶粒尺寸处于深亚波长、纳米级，以减少光散射。相比之下，沿冷却轴，它们的晶粒尺寸更大，在微米范围内，以尽量减少沿晶界的声子散射。 为此，研究人员对微结构对多晶陶瓷透明度和导热性的影响进行了详细分析，以探索未来具有优异泵浦能力的激光增益材料。首先他们对微观结构对光学特性影响和微观结构对热导率影响进行了详细介绍。接着，讨论了各种晶体材料系统的热和机械性能，包括单晶和多晶形式。对光学各向同性材料，包括YAG，倍半氧化物，CaF2，和光学各向异性材料，包括正钒酸钇（YVO4），氧化铝（Al2O3），氟磷灰石，氮化铝，以及耦合光热建模进行了分析。他们回顾了最有前景的晶体材料的导热率和断裂韧性。由于立方激光材料（如 YAG 和倍半氧化物）的热导率有限，因此使用更高热导率和更好机械韧性的非立方材料（如 Al2O3 和 AlN）将是未来高功率激光器的关键。为了实现高光学透明度和高热导率，具有排列的高纵横比晶粒（棒或盘）的排列微结构尤其有益。同时，与单晶相比，多晶陶瓷表现出的断裂韧性增强可能对提高激光功率特别有益。 虽然各向异性材料氧化铝和氮化铝具有显着的热机械优势，但双折射散射在制造具有极低光损耗的材料方面带来了挑战，利用精心设计的各向异性微结构的概念，将为未来在高功率激光器中使用这些材料提供有效途径。
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  • 《用激光改变材料性质》
    • 来源专题：重大科技基础设施领域知识集成服务平台
    • 编译者：魏韧
    • 发布时间：2019-11-10
    • 研究人员使用先进光源（ALS）证明可以用激光重复改变材料中的耦合电子和磁性质。这一研究结果表明，利用激光束擦除和重写随机存取存储器和数据存储材料中的信息是可能的。 许多半导体器件使用电流控制和操作编码信息实现信息存储。然而，这种方法已经达到热稳定特征尺寸的物理极限，科学家们正在积极寻找下一代材料和工艺，来生产更小、更快、更强大的器件。可以按照理论规格进行逐层设计的材料为解决以上问题开辟了道路。多铁性是一种可以将材料设计成由外场控制的特殊性质，但很少有研究探索利用激光调谐这类材料中的电磁排列。 铁酸铋（BiFeO3）是一种很有前景的室温多铁性材料。在薄膜中，铁酸铋表现出明显的自发极化（铁电性），与材料的反铁磁有序共存并与之强耦合。此外，当受到面内压缩应变时，铁酸铋经历了从四方相（T-BFO）到菱形相（R-BFO）的晶体对称性转变。这种位移导致功能性质的调制，包括导电性、压电性和折射率。在特定的条件下，铁酸铋的“混合相”样品可能处于四方相（T-BFO）和菱形相（R-BFO）相之间的转变边缘。 在用压电响应力显微镜（PFM）获得的混合相铁酸铋的图像中，这些相呈现为暗区[菱形相（R-BFO）]和亮区[四方相（T-BFO）]。用532纳米绿光激光照射样品后，压电响应力显微镜（PFM）图像显示了清晰的相位重分布。拉曼光谱证实了激光局部加热是导致这些变化的原因，并且用相场仿真准确地模拟了结果。 为了探测激光照射下铁酸铋的铁电和反铁磁有序的相互关系，研究人员在先进光源（ALS）束线11.0.1上使用光发射电子显微镜（PEEM）开展研究。高亮度、软X射线束线可以在铁L边的线偏振光和圆偏振光之间直接切换，使研究人员能够利用线和圆二向色性绘制特定区域的铁电和反铁磁顺序。测量结果表明，激光调谐铁酸铋的畴结构可以同时控制相关的铁电性、反铁磁性和剩余磁化强度。 只要移动激光光斑，畴结构就可以重复擦除和重写。移动光斑照射后的压电响应力显微镜（PFM）图像显示了从纯四方相（T-BFO）到混合相再到纯四方相（T-BFO）的演变过程。该研究证明了在室温条件下通过激光对多铁性材料的非挥发性、确定性和局域控制。这种控制同时影响功能性质，如铁电性和反铁磁性，并可以以热辅助磁记录。它不仅是在复杂材料中裁剪铁磁有序的有效方法，还有助于非易失性随机存取存储器和数据存储设备等技术在微电子领域应用。
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