飞秒激光加工具有烧蚀阈值低、加工精度高等特点。飞秒激光烧灼阈值受辐射的脉冲数影响，单脉冲以及多脉冲作用下飞秒激光烧灼阈值和孵化效应对于可控、精确的激光加工具有十分重要的意义。
飞秒激光烧灼YAG晶体应用简介
摘要：飞秒激光加工具有烧蚀阈值低、加工精度高等特点。飞秒激光烧灼阈值受辐射的脉冲数影响，单脉冲以及多脉冲作用下飞秒激光烧灼阈值和孵化效应对于可控、精确的激光加工具有十分重要的意义。
一、飞秒激光处理材料的原理
飞秒作用于透明电解质材料时，通过多光子吸收、隧穿电离、碰撞电离等过程将电子从价带激发到导带，产生局域化的自由等离子体。充分电离时，离子之间的碰撞，等离子体中的电子通过逆轫治辐射吸收激光能量后，电子将会被加热到极高温度，随后电子再通过电子声子耦合将能量传递给晶格，从而使等离子体温度升高。在多激光脉冲重复作用过程中，激光诱导形成的缺陷逐步积累，材料的光学特性逐渐发生改变。
二、飞秒激光的可行性验证
材料的光学特性改变，已在多种材料中得到验证。德国马克思-伯恩非线性光学和短脉冲光谱学研究所Ashkenasi等人发现钇理氟化物（YLF）和熔石英的表面烧蚀阈值在第1次脉冲激光辐射后会发生急剧下降；日本中部大学的Qi等人发现孵化效应导致蓝宝石的烧蚀阈值与辐射在衬底表面的激光脉冲数成反比。
YAG 晶体在0.25-5 μm范围内具有较高的透过率，是一种优良的紫外、红外光学材料，且具有优良的热力学性质、良好的抗温度蠕变性，以及很强的耐高温塑性变形能力。YAG的力学性能和化学稳定性接近蓝宝石晶体，并且没有蓝宝石的双折射效应。
三、具体实验验证
实验采用YAG晶体，中心波长1030 nm的飞秒激光器，脉宽约为400 fs，重复频率为300 kHz。利用显微物镜将激光束聚焦于样品表面，光斑大小3.5 um。样品的移动通过高精度三维电控位移台实现。对YAG晶体样品表面的不同位置进行辐照，所有实验均在常温、常压的空气中进行。
单脉冲作用后的烧蚀形貌如图所示，在单脉冲烧蚀下，损伤坑的直径随着脉冲能量的增加而增加而增加。在飞秒激光作用后，在烧蚀坑内和周围形成了一定数量的纳米颗粒。
图1.单脉冲烧蚀形貌记录
多脉冲作用下，孵化效应在烧蚀过程中扮演重要角色。在介电材料和半导体材料中，由外部激光作用引起的晶格缺陷，可以在带隙中产生额外的能级。新的激发路径的存在有利于对后续激光脉冲能量吸收。缺陷密度随着激光辐照脉冲数的增加而增加，直到达到饱和。同时缺陷的积累将导致有效吸收系数增加，表面烧蚀阈值随之降低，直到达到饱和。经测试发现，在脉冲数较少时，烧蚀坑的直径更小。随着作用脉冲数的增加，烧灼坑的直径也随之增加。当脉冲数超过600后，作用材料的脉冲数增加对直径大小的增加效果显著降低。
图2.多脉冲烧蚀形貌记录
结语：通过1030 nm飞秒激光对YAG晶体的烧蚀测试，可以了解单脉冲和多脉冲烧蚀阈值的变化规律。为YAG的飞秒激光加工处理提供了验证实验数据。通过飞秒激光的烧蚀实验，验证了飞秒激光在处理YAG这种特殊晶体的可行性，为以后的晶体表面处理、微加工提供了重要的参考解决方案。
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