Nature：利用超快脈沖燒蝕冷卻法進行材料去除

【引言】

利用飛秒激光可以精確、無熱損傷去除材料，因而在科研、醫學以及工業中有著廣泛的應用。然而，飛秒激光的潛在缺點在于其材料去除速度慢以及激光自身的復雜性。其中復雜性來源于激光在設計之初要克服用于燒蝕效率的高脈沖能量閾值。

【成果簡介】

近日，比爾肯特大學Fatih ?mer Ilday的科研團隊采用了連續超快激光脈沖燒蝕材料，為了證明燒蝕冷卻方法，該團隊首先采用了飛秒光纖激光選取脈沖模式。其采取的實驗數據是直接通過同時測量目標材料的溫度來估計燒蝕冷卻影響和由熔化的顆粒帶走的熱量。隨后證實了材料燒蝕冷卻模型預測的有效性。該技術是在上一個激光脈沖作用區域的余熱未擴散至下一個作用區域之前燒蝕材料。不同基底板的概念驗證試驗證實在極高的頻率之下，燒蝕冷卻材料是可以實施的，并且該方法減少了燒蝕材料所需的激光能量，通過根據有序控制前一個激光的燒蝕參數來提高材料去除效率。除此之外，該團隊還發現該方法可以無熱損害地在一分鐘內去除2立方毫米的腦組織或者一分鐘內去除3立方毫米的牙質。

該研究成果以“Ablation-cooled material removal with ultrafast bursts of pulses”為題發表在學術頂級期刊Nature上。

【圖文導讀】

圖一 激光燒蝕冷卻去除材料原理

（a） 在低頻和高頻下燒蝕去除材料示意圖。t=為在低頻激光和高頻激光下的等溫線。t=為上一個脈沖過后在高頻激光下的等溫線。t=為上一個脈沖過后在低頻激光下的等溫線。

（b） 10MHz（藍線）以及1600MHz（黑線）在材料表面（實線）以及材料表面（虛線）以下溫度演化計算。

（c） 為b圖陰影部分的展開圖。

（d） 為在100MHz（綠線）、400MHz（藍線）以及1600MHz（紅線）表面溫度（虛線）以及熔化材料（實線）的計算演化。

（e） 為試驗裝置直接確認燒蝕冷卻效果。

（f） 為熱電模塊1所得到的目標材料（藍色實線）的溫度增加；貼在收集采用燒蝕冷卻方法（藍色虛線）和傳統方法（紅色虛線）燒蝕材料顆粒玻片的熱電模塊2所得到的。

圖二 隨著增加的頻率按比例縮小的脈沖能量

（a） 為銅在單一脈沖下燒蝕的體積做為總入射能量和影響對于不同頻率下的函數。

（b） 為硅在單一脈沖下燒蝕的體積做為總入射能量和影響對于不同頻率下的函數。

（c） 為在不同重復頻率下銅原子被入射單個光子燒蝕的效率做為脈沖能量和脈沖頻率的函數

（d） 為在不同重復頻率下硅原子被入射單個光子燒蝕的效率做為脈沖能量和脈沖頻率的函數

圖三 軟硬組織的燒蝕

（a） 為在傳統方法和燒蝕冷卻方法下以1KHz重復頻率下的激光去除人牙質。

（b） 為在傳統方法和燒蝕冷卻方法下以1.7GHz重復頻率下的激光去除人牙質。

（c） 為在重復速度、平均能量以及掃描速度同時增加25倍時，在1KHz重復頻率下的熱損傷。

（d） 為在重復速度、平均能量以及掃描速度同時增加25倍時，在1.7GHz重復頻率下的熱損傷。

（e） 為傳統激光方法以600mW的平均能量去除1mm³的鼠腦后的組織學圖像存在熱損傷。

（f） 為燒蝕冷卻方法以600mW的平均能量去除1mm³的鼠腦后的組織學圖像的無熱損傷。

（g） 為燒蝕冷卻激光2.7W的平均能量以2mm³/min速度去除腦組織，無熱損傷。

（h） 為用燒蝕冷卻方法去除的角膜顯微圖像。

文獻鏈接：Ablation-cooled material removal with ultrafast bursts of pulses（Nature，2016，doi: 10.1038/nature18619）

本文由材料人編輯部學術組 seeding 供稿，材料牛編輯整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。