【引言】

    利用飛秒激光可以精確、無(wú)熱損傷去除材料，因而在科研、醫(yī)學(xué)以及工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。然而，飛秒激光的潛在缺點(diǎn)在于其材料去除速度慢以及激光自身的復(fù)雜性。其中復(fù)雜性來(lái)源于激光在設(shè)計(jì)之初要克服用于燒蝕效率的高脈沖能量閾值。

    【成果簡(jiǎn)介】

    近日，比爾肯特大學(xué)Fatih  mer Ilday的科研團(tuán)隊(duì)采用了連續(xù)超快激光脈沖燒蝕材料，為了證明燒蝕冷卻方法，該團(tuán)隊(duì)首先采用了飛秒光纖激光選取脈沖模式。其采取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是直接通過(guò)同時(shí)測(cè)量目標(biāo)材料的溫度來(lái)估計(jì)燒蝕冷卻影響和由熔化的顆粒帶走的熱量。隨后證實(shí)了材料燒蝕冷卻模型預(yù)測(cè)的有效性。該技術(shù)是在上一個(gè)激光脈沖作用區(qū)域的余熱未擴(kuò)散至下一個(gè)作用區(qū)域之前燒蝕材料。不同基底板的概念驗(yàn)證試驗(yàn)證實(shí)在極高的頻率之下，燒蝕冷卻材料是可以實(shí)施的，并且該方法減少了燒蝕材料所需的激光能量，通過(guò)根據(jù)有序控制前一個(gè)激光的燒蝕參數(shù)來(lái)提高材料去除效率。除此之外，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)該方法可以無(wú)熱損害地在一分鐘內(nèi)去除2立方毫米的腦組織或者一分鐘內(nèi)去除3立方毫米的牙質(zhì)。

    該研究成果以“Ablation-cooled material removal with ultrafast bursts of pulses”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)頂級(jí)期刊Nature上。

    【圖文導(dǎo)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(xiàn)。t=為上一個(gè)脈沖過(guò)后在高頻激光下的等溫線(xiàn)。t=為上一個(gè)脈沖過(guò)后在低頻激光下的等溫線(xiàn)。

    （b） 10MHz（藍(lán)線(xiàn)）以及1600MHz（黑線(xiàn)）在材料表面（實(shí)線(xiàn)）以及材料表面（虛線(xiàn)）以下溫度演化計(jì)算。

    （c） 為b圖陰影部分的展開(kāi)圖。

    （d） 為在100MHz（綠線(xiàn)）、400MHz（藍(lán)線(xiàn)）以及1600MHz（紅線(xiàn)）表面溫度（虛線(xiàn)）以及熔化材料（實(shí)線(xiàn)）的計(jì)算演化。

    （e） 為試驗(yàn)裝置直接確認(rèn)燒蝕冷卻效果。

    （f） 為熱電模塊1所得到的目標(biāo)材料（藍(lán)色實(shí)線(xiàn)）的溫度增加；貼在收集采用燒蝕冷卻方法（藍(lán)色虛線(xiàn)）和傳統(tǒng)方法（紅色虛線(xiàn)）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?cè)肷淠芰亢陀绊憣?duì)于不同頻率下的函數(shù)。

    （b） 為硅在單一脈沖下燒蝕的體積做為總?cè)肷淠芰亢陀绊憣?duì)于不同頻率下的函數(shù)。

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

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

    圖三 軟硬組織的燒蝕

    （a） 為在傳統(tǒng)方法和燒蝕冷卻方法下以1KHz重復(fù)頻率下的激光去除人牙質(zhì)。

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

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

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

    （e） 為傳統(tǒng)激光方法以600mW的平均能量去除1mm3的鼠腦后的組織學(xué)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(xué)圖像的無(wú)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(wú)熱損傷。

    （h） 為用燒蝕冷卻方法去除的角膜顯微圖像。

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責(zé)任編輯：王元

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