科研领域

衍射光学Light Sci. Appl. 10, 1 (2021) 93.

水导激光是微观世界的 “精准手术刀”。凭借极高的聚焦精度,它能对各类新型材料进行纳米级的切割与微加工,帮助科研人员制备高质量的材料样本,深入探究材料在微观尺度下的性能,加速新型功能材料的研发进程。

产生机制:水导激光在通过水介质传输时,当遇到障碍物或者小孔、狭缝等尺寸与激光波长相当或更小的结构时,会发生衍射现象。比如在水导激光加工系统中,若喷嘴存在微小的不规则结构或杂质,激光通过时就可能产生衍射。根据惠更斯 - 菲涅耳原理,波前上的每一点都可以看作是一个新的子波源,这些子波源发出的子波相互干涉叠加,在障碍物边缘或小孔等位置就形成了衍射图样。 与水介质的相互作用:水的折射率约为 1.33,与周围空气折射率不同,激光在水与空气界面传播时,除了全内反射外,衍射也会受到影响。由于水的存在,激光的波长会发生变化,根据 n=c/v ( n 是折射率, c 是真空中光速, v 是介质中光速)以及 v=fλ ( f 是频率, λ 是波长),在水中激光波长 λ w​=λ 0​/n ( λ 0​是真空中波长),波长变化会使衍射角等衍射特性改变。例如在进行水导激光切割微小结构时,需要考虑这种波长变化对切割精度的影响,因为衍射可能导致激光能量分布偏离预期。
  • 性能
    水束特性:水束的直径、稳定性和均匀性对水导激光衍射有重要影响。水束直径越小,越接近激光波长,衍射现象越明显。若水束不稳定或不均匀,会使激光在水束中的传播路径不规则,导致衍射图样不稳定和能量分布不均匀。例如在微细加工中,不稳定的水束可能使激光衍射无法精确控制,影响加工精度。 激光参数:激光的波长、功率和脉冲宽度等参数也会影响衍射。波长越长,衍射现象越容易发生,如在同样的水导系统中,红外波段的激光比紫外波段激光的衍射效应相对更明显。高功率激光可能会使水介质产生非线性光学效应,进而影响衍射特性;脉冲宽度则会影响激光与水介质相互作用的时间,超短脉冲激光与水的作用时间极短,其衍射特性可能与连续激光或长脉冲激光不同。

主 要 应 用

精密加工中的应用:利用水导激光衍射可以实现更精细的材料加工。在对超硬材料进行微孔加工时,通过控制水导激光的衍射,使激光能量更集中地作用于材料表面微小区域,能够加工出更小直径、更高精度的微孔。比如在航空发动机涡轮叶片的气膜冷却孔加工中,利用衍射控制可以提高冷却孔的加工精度和质量,提升叶片的冷却效果和使用寿命。 光学元件制造中的应用:在制造微纳光学元件时,水导激光衍射可用于制作衍射光学元件,如衍射光栅等。通过精确控制激光在水中的衍射过程,在光学材料表面形成周期性的衍射结构,可用于光的调制、分束等。还可以用于制造微透镜阵列等元件,利用衍射原理将激光能量分布进行调控,在材料表面加工出具有特定光学性能的微透镜结构,应用于成像、光通信等领域。