Nature：利用超快脉冲烧蚀冷却法进行材料去除

【引言】

利用飞秒激光可以精确、无热损伤去除材料，因而在科研、医学以及工业中有着广泛的应用。然而，飞秒激光的潜在缺点在于其材料去除速度慢以及激光自身的复杂性。其中复杂性来源于激光在设计之初要克服用于烧蚀效率的高脉冲能量阈值。

【成果简介】

近日，比尔肯特大学Fatih Ömer Ilday的科研团队采用了连续超快激光脉冲烧蚀材料，为了证明烧蚀冷却方法，该团队首先采用了飞秒光纤激光选取脉冲模式。其采取的实验数据是直接通过同时测量目标材料的温度来估计烧蚀冷却影响和由熔化的颗粒带走的热量。随后证实了材料烧蚀冷却模型预测的有效性。该技术是在上一个激光脉冲作用区域的余热未扩散至下一个作用区域之前烧蚀材料。不同基底板的概念验证试验证实在极高的频率之下，烧蚀冷却材料是可以实施的，并且该方法减少了烧蚀材料所需的激光能量，通过根据有序控制前一个激光的烧蚀参数来提高材料去除效率。除此之外，该团队还发现该方法可以无热损害地在一分钟内去除2立方毫米的脑组织或者一分钟内去除3立方毫米的牙质。

该研究成果以“Ablation-cooled material removal with ultrafast bursts of pulses”为题发表在学术顶级期刊Nature上。

【图文导读】

图一 激光烧蚀冷却去除材料原理

（a） 在低频和高频下烧蚀去除材料示意图。t=为在低频激光和高频激光下的等温线。t=为上一个脉冲过后在高频激光下的等温线。t=为上一个脉冲过后在低频激光下的等温线。

（b） 10MHz（蓝线）以及1600MHz（黑线）在材料表面（实线）以及材料表面（虚线）以下温度演化计算。

（c） 为b图阴影部分的展开图。

（d） 为在100MHz（绿线）、400MHz（蓝线）以及1600MHz（红线）表面温度（虚线）以及熔化材料（实线）的计算演化。

（e） 为试验装置直接确认烧蚀冷却效果。

（f） 为热电模块1所得到的目标材料（蓝色实线）的温度增加；贴在收集采用烧蚀冷却方法（蓝色虚线）和传统方法（红色虚线）烧蚀材料颗粒玻片的热电模块2所得到的。

图二 随着增加的频率按比例缩小的脉冲能量

（a） 为铜在单一脉冲下烧蚀的体积做为总入射能量和影响对于不同频率下的函数。

（b） 为硅在单一脉冲下烧蚀的体积做为总入射能量和影响对于不同频率下的函数。

（c） 为在不同重复频率下铜原子被入射单个光子烧蚀的效率做为脉冲能量和脉冲频率的函数

（d） 为在不同重复频率下硅原子被入射单个光子烧蚀的效率做为脉冲能量和脉冲频率的函数

图三 软硬组织的烧蚀

（a） 为在传统方法和烧蚀冷却方法下以1KHz重复频率下的激光去除人牙质。

（b） 为在传统方法和烧蚀冷却方法下以1.7GHz重复频率下的激光去除人牙质。

（c） 为在重复速度、平均能量以及扫描速度同时增加25倍时，在1KHz重复频率下的热损伤。

（d） 为在重复速度、平均能量以及扫描速度同时增加25倍时，在1.7GHz重复频率下的热损伤。

（e） 为传统激光方法以600mW的平均能量去除1mm³的鼠脑后的组织学图像存在热损伤。

（f） 为烧蚀冷却方法以600mW的平均能量去除1mm³的鼠脑后的组织学图像的无热损伤。

（g） 为烧蚀冷却激光2.7W的平均能量以2mm³/min速度去除脑组织，无热损伤。

（h） 为用烧蚀冷却方法去除的角膜显微图像。

文献链接：Ablation-cooled material removal with ultrafast bursts of pulses（Nature，2016，doi: 10.1038/nature18619）

本文由材料人编辑部学术组 seeding 供稿，材料牛编辑整理。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。