淺析飛秒激光加工和非金屬的相互作用

　　飛秒激光加工進入人們的視野，并廣泛應用于航空、航天和醫學等領域。飛秒激光是脈寬為幾飛秒至幾百飛秒的脈沖激光。

　　當飛秒激光作用于材料時，會發生復雜的能量傳遞及擴散現象，如電子-電子馳豫及電子-晶格馳豫等過程，電子-電子馳豫及電子-晶格馳豫的時間大于飛秒激光的脈沖寬度，因此晶格在脈沖作用的時間內基本保持原來的溫度，不發生明顯的升溫，此過程稱為飛秒激光“冷加工”。相較于長脈沖的激光，飛秒激光作用于固體材料時熱量擴散很小、可控性好，因此被廣泛地應用于生物醫療，光電信息，材料表面結構等多個領域。

　　飛秒激光加工與不同材料的作用機理不盡相同。金屬材料中含有大量的自由電子，當飛秒激光輻射材料基體時，自由電子吸收激光能量使材料溫度迅速上升，進而實現材料去除。非金屬材料中的自由電子數量很少，作用機理也因此不同。

　　飛秒激光加工和非金屬的相互作用：

　　當超高的激光能量聚焦于材料表面時，會在材料表面上形成等離子體，等離子體通過吸收光子能量達到材料的燒蝕閾值進而去除材料。在此過程中涉及的物理現象主要包括多光子電離和雪崩電離。

　　在飛秒激光輻射非金屬材料的過程中，電子吸收多個光子后，將由基態躍遷到高能量的激發態并發生電離，這個過程為多光子電離。非金屬材料中的電子數量很少，通常電子以逆韌致輻射的形式吸收激光能量，成為種子電子。由于種子電子的能量較高，當不受限制的電子與原子碰撞后，會產生兩個自由電子。此過程反復進行，形成雪崩電離現象，使材料擁有大量種子電子。當種子電子密度達到臨界密度時，形成等離子體。等離子體以逆韌致輻射的方式吸收激光能量。