飞秒激光（共11篇）
飞秒激光 篇1
“飞秒激光近视手术后眼睛可以化妆吗?”透过厚厚的眼镜片, 还是可以看到问话的是一个大眼睛的漂亮女孩儿, 她显得异常兴奋, 据介绍, 她已经戴了7年的眼镜了, 做梦都想脱掉眼镜, “在我还没有近视前, 他们都叫我小燕子呢!因为我有一双羡煞旁人的大眼睛。”
长沙爱尔眼科医院的专家表示, 常常碰到不少的爱美人士在术前、术后会问这个问题。飞秒激光近视手术之后短期内是不能化妆的, 一般1个月以后您就可以化妆了。
飞秒激光近视手术术后眼睛的保养非常重要, 化妆品是属于化学类的产品, 一旦入眼以后会影响视力的恢复, 所以, 专家建议爱美人士在飞秒激光手术后1个月内不要进行眼部化妆和按摩。1个月后您就可以化一个美丽的妆出门了。
另外飞秒激光近视手术后还需要注意的是:
保养:术后2周内洗澡、洗头、洗脸时不应将脏水溅入眼内, 不能用力挤眼和揉眼, 近期内勿用眼过度。手术后2周内不要进行剧烈的对抗性的运动, 饮食无特殊。
用眼:术后初期, 部分朋友可能视远和视近有一定的困难, 可能有双眼视力不匀, 视物双影, 都是正常术后现象。视力恢复一般在术后2周至1个月。视力完全稳定大约需要三个月左右时间。
飞秒激光近视手术后初期可能会有轻微的畏光的现象, 建议外出佩戴偏光镜以增加视物舒适度。注意科学用眼, 当眼睛感觉疲劳时一定要注意休息。
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飞秒激光 篇2
近视眼激光手术的最大危害隐藏在术前检查环节，至于少部分出现视力回退、干眼症等术后可以有效控制和治疗，较为严重的并发症都在术前即可检测出，如圆锥角膜。因此术前进行仔细和可靠的检查非常重要的，现在PENTACAM三维眼前节分析诊断系统就可有效进行排查，近视眼激光手术的安全得到了先进技术的保障。而飞秒的应用则相当于加大了安全的砝码，使近视手术更加完美、更加舒适，满足了追求精细视力人群的需要。
1、全飞秒技术不成熟，无法个性化切削，术后视觉质量不如LDV全激光近视手术，安全性不如超50万例的LDV全激光近视手术(全飞秒无法二次手术，出现问题无法弥补，LDV全激光近视手术没有此类问题)。
2、目前以LDV为代表的全激光近视手术是主流，且手术费用也比全飞秒便宜很多，全飞秒收费贵、安全性差、术后效果也无法保证，是多花钱还要冒更大风险，太不值得了，强烈建议选择LDV全激光近视手术!
飞秒激光术＝安全“新视界”？ 篇3
目前在德国，持续时间只有10—15秒的脉冲激光手术的最新手术模式“FLEx(飞秒激光角膜基质透镜切除术)”正在被科研机构尝试使用，德国眼科协会的专家称，随着医生手术经验的增加，这种新技术的治疗效果预计还会提高。
据了解，这项名为FLEx的飞秒激光新技术如今正等待着美国FDA的临床认证；上海复旦大学附属眼耳鼻喉科医院眼科是我国目前唯一一家引入这种最新飞秒系统的医院，当前主要进行角膜瓣临床与科研，尚未真正开展FLEx手术。该项FLEx技术是否完全胜过当前的准分子激光技术，也还需要继续严格、长时间的论证。这项飞秒激光手术会是近视治疗领域的一个新发展吗?
“飞秒新激光”受关注
据中华眼科学会角膜组委员、复旦大学附属眼耳鼻喉科医院眼科周行涛主任介绍，在美国，飞秒激光手术已是非常普及的技术，美国屈光与白内障手术协会的统计表明，目前85％以上的美国激光屈光手术医生使用飞秒技术。在我国，飞秒激光技术的引进和应用也已3年以上，但是上述已经应用的飞秒激光技术仅仅是用于作角膜瓣，用来代替角膜刀进行角膜板层切开，角膜基质的切削(近视度数的矫正)仍然需要准分子激光技术。而报告中所指的FLEx则是一项全新的飞秒激光技术，是全飞秒激光进行屈光度数矫正，无需准分子激光。“换句话说，一定范围内可望代替准分子激光技术来矫正度数。”
飞秒激光何以成“飞刀”呢?周行涛介绍说，激光脉冲聚焦到角膜组织中，产生光爆破；每一个脉冲的光爆破，产生一个微离子；每一个微离子，蒸发大约1微米的角膜组织：蒸发角膜组织产生扩展的水泡和CO2气泡，水泡和气泡被角膜组织吸收，角膜组织因此被分离。
据了解，飞秒激光可以在不损伤角膜上皮和前弹力层的条件下准确切开角膜基质层，并且几乎没有热传递和冲击波，在整个过程中几乎不会有周围组织损伤，这一点是其他切开技术无法比拟的；用飞秒激光手术制瓣，与传统的角膜板层刀制角膜瓣相比，制瓣切割精度更精确、安全性更高；并且手术可于角膜内的任意位置，按任意形状来切角膜，瓣蒂可置于任一方向。此外，飞秒激光的优势还在于：角膜基质床平滑，减少了术后不规则散光；对角膜上皮损伤小，降低术后泪膜的不稳定性，相对减少干眼的发生率。
据周行涛介绍，他曾在国外观摩FLEx的技术，并实际观察到临床术后病例的确切疗效，但“目前的矫正范围还比较局限，通常在800度以内。FLEx技术是否完全胜过当前的准分子激光技术，还需要继续严格、长时间的论证。即使美国认证通过之后，在我国的推广应用也还需一段时间”。
手术选择需慎重
尽管飞秒激光前景可观，但就整个激光手术而言，并非所有的人都能做这样的手术。周行涛指出，激光手术通常要求患者年龄在18—60岁之间，近视度数相对稳定2年以上。由于术后可能出现眩光的现象，所以对于司机等特殊职业者，需结合暗瞳等检查慎重设计手术。
协和医院眼科专家王中海介绍，因为18岁以下者眼球未发育完全，屈光状态尚未稳定，故手术效果也不稳定，若盲目接受手术视力极有可能回退。而严重干眼病、突眼症及眼睑关闭不全、急性眼部炎症、青光眼、独眼患者等也是手术的禁忌症。“此外，还要提醒广大近视患者，要做激光治疗手术，最重要的是做好术前筛查，将一切有可能引起的不良因素及不适合因素筛查出来。即使通过手术取得了良好的裸眼视力，也要定期检查眼底及视力。”王中海说。
复旦大学附属眼耳鼻喉科医院眼科专家、卫生部近视眼重点实验室专家、上海市眼科质量控制中心主任褚仁远教授指出，“激光手术后，眼睛里的碎屑要冲洗干净，不冲洗干净容易造成并发症，导致上皮植皮、圆锥角膜病，比如变性蛋白质不冲洗干净就容易造成抗原抗体反应，导致圆锥角膜病。在一些不正规的医院，有些器械消毒不净或冲洗不干净，也会在术后出现并发症。还有的患者做了手术后会出现双眼单视功能下降、背壁敏感度下降等问题，因此手术选择一定要慎重。”
他同时指出，一旦发生角膜并发症，就需要立即通过其他方法来矫正，比如北京大学医学部眼视光研究中心通过圆锥角膜镜可以纠正手术不当所引起的并发症。
术前检查是关键
专家指出，在做手术之前，做好手术检测和验光是保证手术安全有效的前提。“但如今术前验光很多并不科学。”褚仁远指出，“首先我们要明确做激光手术的目的是：视力要好、视觉质量要好；也就是既要看得见、看得清，也要看得舒服。但如今我们的手术验光大部分是单眼验光，即一个眼睛一个眼睛验；单眼视力正确了，但双眼的整体视觉效果未必最好。实际上，我们讲验光，双眼的单视功能是最重要的，要双眼同时知觉，同时知觉的基础上有融合功能，要有立体感觉。现在很多地方手术验光并没有把双眼单视功能作为主打项目，双眼单视功能往往验光不正确。裸眼视力好的未必双眼视力就好，还有可能出现眩光等问题，这些都亟待技术的提高。”
如今全世界都非常重视视觉质量问题，然而我们发现，随着时代的进步，视疲劳者越来越多。专家指出，造成这种现象的原因，首先是验光没有验好；其次是电脑终端性眼病；再者是准分子激光手术的后遗症：最后就是环境污染所造成的干眼症。
飞秒激光 篇4
一般的激光脉冲持续时间长,为纳秒(10-9s)和皮秒(10-12s)量级,相当于晶格热传导平衡时间,在激光脉冲和材料相互作用过程中,晶格之间的热能交换是不可避免的,热效应的存在不仅使加工范围扩大,同时使周围产生应力,从而增加了边缘的粗糙度和裂痕的产生。而飞秒激光的脉冲时间远小于晶格热传导时间,在其与物质相互作用时,虽然聚焦范围仍不能突破1个波长,但能量空间高斯分布的飞秒激光可以仅在极小范围内超过烧蚀阈值,并在极短时间内使电子温度达到极高,使物质从固态变为等离子态,迅速以喷射状态脱离加工体,而其周围的物质仍处于“冷状态”,因此飞秒激光加工的边缘极其整齐,其横向加工精度可达数十纳米,小于衍射极限。同时飞秒激光脉冲的峰值功率虽然很高,但其能量很低,因此,与物质相互作用时,去除物质的深度极浅,可达1nm以下,甚至亚纳米尺度。
基于以上特点,飞秒激光在超精细微加工[1,2]、薄膜沉积[3,4]、质谱分析[5]和显微[6,7]等领域中得到了广泛应用。尤其在大规模集成电路光刻工艺,MEMS零部件的制备、光波导和光栅及光信息存储器的制备以及眼角膜和牙科手术中,飞秒激光的功用不可小视。此外高功率飞秒激光还可以应用于核聚变的快速点火、切割高爆炸药等军事国防领域。
飞秒激光技术的发展和大量的工程应用,使研究飞秒激光与材料的耦合机理在理解蚀除过程中的一系列现象、提高激光微细加工的效率及减小激光损伤等方面具有重要的意义。飞秒激光技术的加工尺寸极其细微,宏观体系下的热传导和相变理论不再适用,这是因为当尺寸减小到微纳量级,热量传递在几何尺度微细化、时间超快速、能量密度超大的条件下具有超常效应,当传热体系在时间和空间尺度上偏离经典热传导理论所基于的假设时,经典热传导理论不能正确解析体系内非常规传热特性。因此,对飞秒激光加热材料过程中相变过程的热传导机制进行研究具有深远的意义,近年来也受到国际上的广泛关注。
本文首先简单介绍了近年来实验测定的方法和研究进展,然后列举了数值模拟的几个微尺度热传导数值模拟模型和方法,详述了分子动力学模拟方法中的几个关键问题,并对现有的烧蚀机制作了总结分析,最后对研究进展作了总结和展望。
1 实验研究方法
目前国内外运用实验测定的方法研究激光烧蚀的报道比较多,主要是用不同脉宽、不同重复频率、不同波长、不同功率密度的单脉冲或多脉冲激光烧蚀各种靶材,研究其烧蚀特征。
1.1 脉宽
关于飞秒激光和一般激光(皮秒激光和纳秒激光)的对比已有广泛的研究。一般认为,相对于一般激光,飞秒激光加工精度高、加工尺度小,B. N. Chichkov[8]和S. Preuss[9]在这一方面做了大量的实验并进行了详细的阐述。K. Sokolowski-Tinten等[10]的研究表明,激光功率密度在烧蚀阈值附近,飞秒激光烧蚀不同材料(金属、半导体、介电材料)的特征相似,而纳秒激光烧蚀不同材料的特征明显不同。J. Perriere等[11] 分别用飞秒激光和纳秒激光在Al2O3(001)单晶基底上沉积ZnO薄膜,发现相比于纳秒激光,飞秒激光沉积的薄膜有更小的晶粒、更大的缺陷,但是残余应力更小,这是由于飞秒激光的能量密度更高,从靶材射出的粒子速度更快,因此原子排列的秩序更乱,薄膜生长过程中应力通过原子的乱序排列释放了。
1.2 脉冲数
单脉冲和多脉冲飞秒激光烧蚀特征的对比也有相关报道。S. Nolte[12]发现经过15个脉冲数后材料开始被激光烧蚀穿,并随着脉冲数的增加,材料被烧蚀的孔径增大,但是脉冲数达到40个之后,材料的孔径再无增大的迹象。余本海[13]采用不同能量的单脉冲和多脉冲飞秒激光对LiNbO3晶体进行烧蚀,发现在能量较低的多脉冲飞秒激光作用下,LiNbO3晶体呈现出大约200nm周期性分布的超衍射极限波纹状结构,可以用在晶体表面刻蚀光栅。杨洗陈等[14]利用不同的激光脉冲数对不锈钢、铜和铝薄膜进行烧蚀打孔,得出孔径与激光数的平方根成正比的关系。M. Henyk等[15,16,17]发表了一系列飞秒激光破坏离子晶体电荷发射的文章,指出在低于阈值时,当脉冲数达到一定的数量会发生离子发射现象。Ashkenasi等[18]的研究表明,脉冲能量略高于单脉冲阈值的情况下用少数几个脉冲入射即可获得最小的烧蚀斑。
1.3 加工速率
飞秒激光虽然功率密度高,但按照其加工精度的要求,加工的能量不能太高,脉冲能量一般在毫焦数量级,每一脉冲的烧蚀深度为0.1～1μm,因此要加快加工速度就必须增加重复频率,但由于激光放大系统的限制,其重复频率一般为1～100kHz,从而使加工速度受到一定的限制。S. Nolte[12]用原子力显微镜(AFM)分别观察了不同加工速度(2μm/s和10μm/s)对材料烧蚀的影响,发现2μm/s可以得到稳定的孔径,10μm/s的孔径较窄但不稳定,并用加工速度为5μm/s的飞秒激光进行了稳定的精细加工。而C. B. Schaffer[19]利用高数值孔径(1.4)的显微镜将光斑聚焦到0.5μm,只需纳焦的能量,采用25MHz的高重复率可得到20mm/s的加工速率。但这一速度对于100mm/s[20]的一般激光加工速度远不算快,还需要从实验设备上进行改进。
1.4 烧蚀阈值
由于使用多脉冲时阈值会随脉冲个数、重复频率、激光聚焦范围和温度变化而变化,因此需要根据特定的加工条件选择合适的脉冲能量。一般来说飞秒激光的烧蚀阈值低于一般激光[12]。C. Momma等[1]研究表明,当脉冲激光的功率密度很高时,短脉冲激光与一般激光相比并不能表现出明显的优势,但是在烧蚀阈值附近的功率密度下,短脉冲激光无论从加工质量、加工精度还是抗飞溅能力上来说都有较大优势。国内外有相当多的实验已测得烧蚀阈值。袁大军[21]研究表明,当能量密度达到108W/cm2时便能诱导材料产生双光子激发,仅在很小的范围烧蚀,就可实现精细加工。N.N. Nedialkov[22]通过实验测得Ni和Al的烧蚀阈值分别约为50mJ/cm2和100mJ/cm2。K. Sokolowki-Tinten等[23,24]实验测得介电材料(检测了玻璃、熔融SiO2、MgF2、蓝宝石)的烧蚀阈值在1013W/cm2数量级。B. Rethfeld[25]和K. Sokolowki-Tinten 等[23,24]指出在烧蚀阈值附近,膨胀的材料形成气液共存的状态,会产生相爆炸(也称为均匀形核,这在后文会有详细的解释),观察到气泡状的结构和牛顿环。L. Huang等[26]指出在高激光功率密度下,半导体呈现金属的行为揭示了非热熔化机制,而在低的功率密度下,没有发现半导体-金属的转变过程。K. Sokolowski-Tinten等[27]在此基础上分析了GaAs的热熔化和非热熔化,也同样得出相似的结论:高于150mJ/cm2的高功率密度时是非热熔化,而低于此功率密度时是非均匀形核的热过程。
1.5 不同材料
文献[8,9,10]对不同材料的飞秒激光烧蚀进行了研究。K. Sokolowki-Tinten 等做了大量的实验[23,24],通过飞秒激光烧蚀不同材料(介电材料、半导体和金属),并用时间分辨显微镜观察烧蚀表面的光反射率,发现介电材料经历了介电击穿和离子体形成的过程,而半导体材料和金属材料则表现出不同的烧蚀特征,烧蚀在形成离子体的阈值功率以下就已经发生。但是文献主要集中在半导体材料Si和金属材料Cu、Ni、Al、Mo、Cr以及介电材料石英玻璃、MgF2、GaAs和蓝宝石等几种材料的研究上,只有少数文献针对高分子材料进行研究[28],远不能形成系统的理论。
总体而言,由于实验条件,实验用的波长、脉宽、重复频率的范围都受到一定的限制,烧蚀材料种类单一,要想形成以实验为基础的理论体系还需要继续改进实验方法,学者之间通力合作,进行更深入的机理探讨。
2 数值模拟方法
目前数值模拟的方法已成为研究热传导尤其是微观热传导的一种重要手段。
经典的热传导理论——傅立叶热传导理论是一个热扩散模型。 它认为热在介质中是以无限快的速度进行传播。 对于空间宏观、时间较长的瞬态或稳态热传导过程,应用傅立叶热传导理论是足够精确的。但是,人们早已跨入了分子、原子这一微观领域,对于时间领域的研究也早已达到皮秒甚至飞秒级别。在热传导领域的研究也进入到空间微观、时间超短的范畴,由于传输热量的粒子数目和输运速度的有限性,温度场将不再是连续的,温度梯度的概念也失效了,因此经典傅立叶热传导理论中的热流矢量和温度梯度的概念模糊不清,已不适应解决这一领域内的热传导问题。为此,人们也对时间超短和空间微观的金属薄膜热传导问题提出了很多热传导模型,比如C-V 波模型[29]、D. D. Joseph等提出的Jeffrey型热传导模型[30,31]、Tzou提出的双相迟滞模型[32]、S.I.Anisimov提出的并由J.G.Fujimoto改进的抛物两步模型[33,34]以及Qiu等提出的双曲两步模型[35]等。L. A. Falkovsky等[36]基于玻尔兹曼方程和费米狄拉克配分函数提出热电子爆炸模型来描述金属材料中的超快形变。J.K.Chen等[37,38]综合双曲两步模型及电子爆炸模型,提出了一系列相关联的瞬时热弹性变形方程。数值结果表明,超短激光脉冲烧蚀过程中,非熔融态损伤占支配地位,这种非熔融态损伤的主要动力来源于热电子爆炸力。
对于金属薄膜中的热传导机理,目前流行的是抛物型和双曲型两步热传导模型。由于这2种模型的方程都是耦合的,其解法普遍采用数值差分法、特征值法(通过 Godunov 算法)和拉普拉斯变换及拉普拉斯逆变换法。用这些方法来求解不但算法复杂,而且计算量大,通过编程采用计算机模拟近似费时又费力,且大多数都是集中在一维状态下的研究[29]。B. Rethfeld等[25]也对两步模型提出质疑,因为两步模型都是基于电子和声子能量,并按温度分布进行假设,在超快激光加热的条件下,加热时间快于电子平衡时间,电子温度失去了意义。
以上方法都是从微观角度建模,数值求解,受到现今计算条件的诸多限制。
目前分子模拟技术被广泛应用于微尺度传热领域的研究,主要有蒙特卡洛模型(Monte Carlo, MC)[39]和分子动力学(Molecular dynamics, MD)模拟。MC广泛运用于PLD(Pulsed laser deposition)薄膜沉积过程中离子体羽辉膨胀的模拟。MC模型是一种统计力学的计算技术,根据体系的能量分布规律,引入粒子运动的随机过程,进而获得体系有关信息的一些统计平均结果。所给出结果的准确性与所选取的随机过程的多少有关。它的效率相当可观,但是在非平衡系统的计算模拟的精度却不尽如人意。
近年来MD方法得到大家的广泛关注,虽然它的计算规模也受到计算条件的限制,但它从微观角度模拟每个原子、分子的历史运动轨迹,可以有效地模拟平衡热传导和非平衡热传导,而且与实验结果对比发现分子动力学的结果与实验结果吻合得比较好,因此近年来成为研究微观热传导的一种有力手段[22,24,28,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55]。下面对分子动力学的理论作详细的探讨,分别从分子动力学的几个关键点进行阐述,即系统模型的大小、边界条件、势能函数。
2.1 分子动力学系统模型的大小
MD的理论基础是解牛顿方程获得当前原子的位置、受到的力和速度。
聚焦光斑直径与激光波长λ和聚焦物镜数值孔径NA(Numerical aperture)的关系:
D=1.22×λ/NA
由于一般实验条件的限制,聚焦后照射在样品表面的束斑直径不可能低于激光波长,一般实验设备仅能达到2～10μm。但是分子动力学模拟的计算量随着原子数的增多呈指数增长,如果要模拟一个200mm×2.5μm的Ni金属薄膜的激光加热过程,相当于8.5×109个Ni原子,远远超出了MD的能力范围。为此S. I. Dmitriy等[46]将模拟的尺寸减少了1个数量级,即模拟20nm×250nm范围的8.5×107个原子。但即便减少了1个数量级,也在1台128个CPU的计算机上计算了1000h[46]。其他文献计算的模型更小[22,41,42,43,44,46,48,49,51,53],大多在104～105个原子。虽然分子动力学的模型远小于实际情况,但是还是能从原理上解释飞秒激光加热的过程。
2.2 分子动力学模型边界条件
边界条件的选用对实验结果的影响是微妙的。通常模拟纳米薄膜边界条件选用2个维度是周期边界条件,激光作用的面用自由边界条件,这样不仅可以模拟薄膜的加热情况,而且由于激光聚焦的焦点远比模拟的范围大[51],这样的边界条件是合理的。底部原子的建模将对整个系统的模拟有重要的影响,文献中有以下几种作法:H. Y. Lai 等[51]将最下面的一层原子固定以模拟基板;C. Cheng等[44]采用了一种非反射压力边界条件;S. I. Dmitriy等[46]将Ni金属层沉积在玻璃层上,分别用EAM和LJ势来描述Ni金属层和玻璃层;Y. Yamashita等[48,49]采用镜面反射边界条件。图1是计算模型的示意图[48,49]。
2.3 分子动力学模型势能函数
势能函数是分子动力学模拟成功与否的关键。对于不同的材料需要选择不同的势能函数。势能函数是原子核与轨道电子距离的函数。最简单的一种势函数是Lennard-Jones(LJ)势,它成功地模拟了稀有气体元素Ar[41,51,53]。因为Ar原子核外电子轨道已经达到饱和,可以忽略原子和电子之间的作用,简单地计算原子之间的作用力。但其他元素不能用这么简单的势能函数作为势能函数。对于理想的金属晶体来说,Morse对势[22,44]常被用来作为金属的势能函数。但是当晶体不是理想晶体时,例如有点缺陷、表面以及晶界时,Morse对势将不准确。为此Daw和Baskes提出的嵌入原子多体势(Embedded-atom method, EAM)解决了这一问题。EAM是将每个原子嵌入到系统整体原子产生的电场里,利用EAM可以成功模拟Ni和Al金属[40,46]。
此外常用的势能函数有描述晶体硅的多体共价作用的Stillinger-Weber势;描述Si、C、Ge以及这些元素组合形成的共价体系的Tersoff势;描述金属的Finnis-Sinclair势等。
影响结果精确程度的最主要因素是原子间作用势的精确性。人们为了提高势函数的精确性进行了许多研究,提出了许多势函数的形式,但对大多数原子而言,努力找到尽可能精确而形式又不太复杂的势函数,仍是极大的挑战。
2.4 分子动力学模拟结果分析
目前分子动力学对激光烧蚀机制的研究比较多,主要集中在Au、Ni、Al、Cu的研究。
前面提到在大的功率密度下,飞秒激光并没有明显优势,但是在阈值附近的功率密度下,飞秒激光的加工质量有着较大优势。学术界利用分子动力学对各种材料的烧蚀阈值进行了模拟计算,但较实验测得的阈值有一定的偏差,这是由于模拟环节进行了很多的假设。
烧蚀机制中的均匀形核(Homogeneous nucleation)机制是被广泛认可的一种机制。一般认为熔化主要有3种机制[56]:不均匀形核、均匀形核和非热熔化形核。飞秒激光高功率密度下加热是非热熔化形核,仅需不到1ps;而一般激光经历或者低于激光功率密度的飞秒激光的加热过程中的热平衡过程比较长,需要100ps,是不均匀形核机制;而在烧蚀阈值附近的飞秒激光加热机制则是均匀形核机制,通常热平衡过程需要几十皮秒,前面已经提到,因为烧蚀阈值附近的飞秒激光加工的优越性,均匀形核机制也是学者们比较感兴趣的机制。C. Cheng[44]报道了均匀形核机制,分别模拟了Ni金属在激光功率密度为0.25J/cm2、0.285J/cm2、0.65J/cm2和1.0J/cm2时的不同过程,发现在各种功率密度下,材料会有不同程度的膨胀,但在低功率密度下(0.25J/cm2)不会产生气泡;而在高功率密度(0.285J/cm2、0.65J/cm2、1.0J/cm2)下会产生气泡,而且气泡的形状与功率密度相关,功率密度越高,气泡数量越多,但气泡的大小越小。X. F. Xu[42]也指出均匀形核是激光烧蚀的主要机制,并发现材料在烧蚀过程中过热,即超过理论熔化点的温度熔化。卢柯等[45]也发现了过热现象和均匀形核,并详细阐述了过热机理。
D. Perez等[41]通过分析压力和温度的变化趋势,提出了金属烧蚀的4个机制:散裂(Spallation)、均匀形核(Homogeneous nucleation)、破碎(Fragmentation)和气化(Vaporization),分别在材料的吸热能量不同的不同区域形成,如图2所示,其中破碎机制是他们首次提出的。他们指出在区域Ⅰ产生很强的拉应力,当拉应力大于材料承受的范围,即发生裂散。在区域Ⅱ中,由于气体的自由能比液体的自由能低,气泡被包覆在不稳定液相中,这一过程称为均匀形核,当形核率很高时,液相会迅速分解形成小液滴,这一过程称为相爆炸,这是学术界普遍认为的烧蚀机制。在区域Ⅲ中,当能量进一步升高,弛豫温度超出气液共存区域,不会均匀形核,在这个区域中,粒子的膨胀率相较于前两个区域更大,在高应变率下,超临界流体分离成很多小的原子团,即破碎。在第Ⅳ区域,原子吸收的能量比内聚能大,即发生气化。
而L.V.Zhigilei等[28]首次利用分子动力学模拟了有机物飞秒激光烧蚀过程,也提到了裂散机制(Spallation)。
D. S. Ivanov[46]有不同见解,他没有观察到蒸发现象和明显的膨胀形变,这与很多文献观察到的现象不一致。他指出在熔化过程中,由于原子温度的快速降低,材料形成过冷态,导致均匀形核,而非膨胀变形。
目前分子动力学研究领域,研究的材料单一,鲜有高分子和各种复合材料的模拟,也鲜有考虑材料缺陷(点缺陷、晶界)的理论研究,数值模拟仅限于一些理想假设(大多采用真空环境假设),并且模拟尺度远远达不到实际的尺度,因此与实际的实验数据还有相当大的误差。
3 展望
飞秒激光技术的快速发展,对微结构制作过程中微尺度热传导机制的深入理解十分必要。它影响着许多微装置的执行和可靠性以及器件正常使用寿命。要全面深入地理解微尺度热传导机制仍有许多工作要做,微尺度热传导的研究前景广阔。
在实验技术方面,除了改善实验设备和实验条件外,还应广泛测定各种材料的(介电材料、半导体、金属)烧蚀阈值,深入研究激光参数(脉冲数、能量密度、激光波长)、薄膜的厚度以及环境气体对加工质量的影响,建立一套完善的参数体系。
飞秒激光 篇5
近几年来，有许多高考考生因为近视的原因，未能填报心仪的学院和有视力限制的专业;更有不少考生虽然填报了自己喜欢的专业院校，高考成绩也达到了录取线，可惜的是在体检时因视力关未通过而被刷下来，留下了一大的遗憾!
在公招考试中的岗位体检项目中，有不少是对视力都有明显要求的，而热门岗位如公安、监狱、法检等系统对视力的要求更高。这让许多参加公务员考试的近视考生来处在不利的位置上。
暑假后将有许多大、中专学生走出校门，步入社会就业，一些特殊行业、特定岗位和部分企业的用人条件都对视力有较高的要求，使得今年毕业的大、中专近视学生就业的选择范围将因视力而受限。同时，职场人士中的近视患者长期戴着眼镜，不但影响形象和工作效率，而且还危害眼睛健康。
另外，长期戴眼镜不仅不利于眼睛健康，而且存在潜在的风险。戴镜框眼镜具有金属、玻璃、树脂等眼镜结构物给眼睛带来的外伤性风险;戴隐形眼镜，容易造成角膜发炎、结膜充血、角膜知觉减退等多种眼病。若是高度近视还容易引发各种并发症，如眼睛干涩、疲劳、头晕，导致眼球凸出，眼睑松弛，影响容貌，还可能引发玻璃体混浊、视网膜出血以及脱落等严重眼病。
因此，兰州普瑞眼科医院专家齐国武主任提醒广大近视朋友：及早矫正近视，不仅有利于眼睛健康，还有助于升学和就业。
兰州普瑞眼科医院第五代个性化飞秒激光治疗近视技术，是当今眼科激光学界的前沿技术。它是一种以脉冲形式运转的红外线激光，其波长为1053nm，持续时间非常短，只有几个飞秒(一飞秒就是一千万亿分之一秒)，飞秒激光能聚焦到比头发的直径还要小的多空间区域，用来进行微精细加工。飞秒在近视手术中的用途，主要是用来代替板层刀制作角膜瓣，由于速度非常快，制作的角膜瓣非常平滑。
飞秒激光 篇6
一 临床资料：
本院自2013年8月～2015年2月共实施飞秒联合准分子激光lasik200例，年龄18～47岁，其中男性110，女性90例.近视屈光度为-1.0～-12.0DS，散光度-0.25～-4.00DC，角膜曲率39.0～46.5，均.排除手术禁忌证.术中患者配合良好，手术时间为10分钟，手术后无明显不适，术后复查裸眼视力，有360只眼达到1.0，33只眼达到0.8.
二手术设备
采用德国鹰视WaveLightFS200飞秒激光制瓣和WaveLightEX500准分子激光机，
三护理
（一）. 术前通过详细咨询了解患者一般情况、心理状态、手术动机、期望值、严格掌握手术适应症。
1一般情况
仔细询问病史包括 眼屈光不正史、框架眼镜及角膜接触配戴史、眼病史（包括眼外伤及眼部手术史）、全身病史、眼局部及全身用药情况以及过敏史。从护理角度了解这些病史，对保证手术质量至关重要。重点询问近视发生时间、程度，特别是近两年的稳定程度，如近两年已稳定属手术适应症。如逐年发展且较迅速，不宜手术，否则术后易发生近视回退。
2 心理疏导
了解患者的手术动机、期望值，对我院仪器设备、手术方式、技术水平的认知程度，对手术有恐惧和顾虑的患者给予合理的开导，使其有个阳光心态充满信心地接受手术。
（二）. 协助医生做好相关检查
1. 视力检查，要准确细微，并应行远、近视力检查。
2. 眼前节检查：包括手电筒检查和裂隙灯检查。
3. 眼压测定，以排除青光眼。
4. 屈光状态检查：包括电脑验光和视网膜镜检查法，并进行对比。
5. 角膜厚度测定。
6. 角膜屈光度测定。
7. 角膜地形图测定。
8. 眼底检查。
（三）. 术前对患者健康宣教及环境机器准备
1. 应告诉病人术前停戴隐形眼镜1-2周，如戴硬镜者应停戴2-3周，方可手术。
2. 术前眼局部滴用抗生素眼药水1—3日，手术当天用生理盐水充分清洗结膜囊，眼部用碘伏消毒，以备手术。若有眼红、痒眼分泌物多者应暂停手术。
3. 术前对病人做好眼注视训练，以供病人术中做到准确注视，避免出现切削偏心。
4. 术前日嘱病人充分睡眠。
5. 术前应洗头洗澡，术后一周内不能洗头。手术当日嘱病人眼部不要化妆，以保持眼部清洁和方便消毒。不要使用香水等有挥发性气味的物质。
6. 向其讲解手术过程，嘱其按医生要求去做，激光时应双眼同时，不要用力挤眼睛，术眼注视上方红灯，勿闭眼及随意转动眼球。治疗时可听见“啪啪”声，闻到焦糊味，可能感觉到眼酸脹，这是激光治疗中的正常现象，不要紧张，双眼整个治疗过程仅需10分钟左右。
7. 环境准备：保持层流手术室室内清洁、无尘、干燥，温度18-22℃，湿度40﹪-50﹪。
8. 机器准备：保持激光仪器的性能处于最佳状态，提前一天输入接受手术者的资料，手术当天做好能量测试
（四）. 手术配合及护理 必须2人配合医生手术
1.机器操作者随时查看机器能量，输入患者资料时严格三查七对，核对患者姓名、性别、出生年月日、手术方式、眼别、术眼屈光度数、角膜曲率等。
2.配台人员备齐手术物品，上台后仔细检查手术器械及压平锥上有无裂痕、灰尘、纤维，压力是否正常，如发现问题及时更换。
3.心理护理：须反复告诫患者放松身体，眼睛勿抖动，注视正上方红灯，负压吸引时有眼胀感，及一过性视物不清，指导患者通过深而慢的呼吸来缓解不适，
（五） 术后护理
1. 术后按医嘱进行观察和用药，术后10日内不宜用接触型眼压计测眼压。
2. 做好术后定期随访和复查：了解病人有无眼部症状，如眩光和虹视等。做好视力、眼压、角膜地形图等检查。
3. 术后6个月内注意不要用力揉眼睛，防止眼球受到外力撞击。
参考文献
[1]陆文秀等著，准分子屈光性角膜手术学，2000
飞秒激光 篇7
本文基于双温模型,对飞秒激光作用下的铜箔温度场进行数值求解。通过对电子温度和晶格温度的分析,研究铜箔的温度场特性; 采用不同脉冲宽度、脉冲能量密度的激光进行计算,分析电子和晶格温度演变规律。
1 理论模型
双温模型将电子和晶格作为两个系统来进行分析,其表达式为[8]
其中,Ce、Ce分别为电子与晶格的热容; Ce= C'eTe,C'e为与电子温度无关的常数; Te、Tl分别为电子和晶格温度; x为垂直于材料表面的方向; Ke为电子热导率; g为电子与晶格的耦合系数。
式( 1) 和式( 2) 分别描述电子系统和晶格系统的温度变化规律。式( 1) 中,为电子热传导项,表示由电子热流引起的电子温度变化; g( Te- Tl)为电子- 晶格耦合项,表示由电子- 晶格耦合引起的电子温度变化; S( x,t) 是激光热源项,表示电子直接吸收激光能量引起的电子温度变化。晶格温度的变化只能通过电子- 晶格的耦合作用。因此,式( 2) 右边只有电子- 晶格耦合项。脉冲激光服从高斯分布时,激光热源项的普遍表达式为[9]
式中,ls为趋肤深度; R为材料表面反射率; I为激光能量密度; τ 为激光脉宽。激光的作用时间从t = 0 ~ 4τ,超过这一时间,激光能量对结果的影响较小,可忽略。
不同条件下,电子热导率有4 种不同的表达形式[10]
其中,K0为热平衡时金属的热导率; M为电子- 电子碰撞频率; N为电子- 原子碰撞频率; μe= Te/ TF,μl=Tl/ TF为无量纲温度,TF为费米温度; 参数 χ、η 为与材料相关的常数[11]。当电子温度< 4 000 K时,电子热导率为常量K0; 当电子温度远低于费米温度且晶格温度低于德拜温度时Ke用式( 5) 表示; 电子热导率的一般性表达式为式( 6) ,更为普遍的表达式为式( 7) 。飞秒激光作用过程中,材料电子温度从最初的室温上升到104K以上,变化范围较大。因此,本文中选式( 7 )表示Ke。
本模型采用有限差分法进行数值求解。由于激光的热注入深度为nm量级,铜箔的厚度取1 μm,以保证下表面温度保持为室温。因此,双温方程的初始条件和边界条件如下:
初始条件
边界条件
其中,L为材料厚度; t为总过程经历的时间; Δx、Δt分别为空间步长和时间步长。铜的光学参数和热学参数如表1 所示。
2 计算结果与分析
2. 1 飞秒激光作用下的温度场特征
脉宽100 fs,能量密度I = 509. 3 J/m2的激光辐照下,铜箔上表面的电子和晶格温度随时间的变化曲线如图1( a) 所示; t = 1 ps时刻,电子和晶格温度随深度的变化情况如图1( b) 所示。
由图1( a) 可知,飞秒激光辐照铜箔时,材料表面的电子温度迅速升高,在t = 260 fs时达到最大值4 958 K,这个温度超过了铜的气化温度,说明该能量密度的飞秒激光作用下产生了铜的等离子体。晶格温升比电子温升要缓慢的多,t = 260 fs时刻晶格的温度只有313 K。电子和晶格温度相差很大,处于非热平衡状态,这是因为电子热容比晶格热容小得多。此后,电子- 晶格能量进行耦合,电子温度迅速下降,晶格温度继续缓慢升高。到t = 3 ps时刻,电子与晶格达到热平衡,热平衡温度为400 K。电子与晶格达到热平衡的时间小于热扩散时间10- 11s,验证了飞秒激光作用于材料为非热熔过程。此后,电子温度继续降低,稍低于晶格温度,这种现象称为电子过冷却。电子过冷却是由于电子热容比晶格热容小,而两者的热导率相当,热平衡时,电子和晶格在相同时间内向外传递的能量基本相等,最终导致电子温度低于晶格温度。这一现象与文献[12]的结果相符。
飞秒激光与材料相互作用过程中,表层材料电子和晶格的温度变化情况需考虑电子对激光的吸收和电子- 晶格的耦合作用,而材料内部电子和晶格的温度变化则需考虑电子- 晶格的耦合作用以及不同深度处电子之间的能量传递过程。由图1( b) 可看出,电子和晶格的温度都随着深度的增大而降低,电子温度在距离表面0. 54 μm处降为环境温度300 K,而晶格温度在0. 32 μm深处降为300 K。从材料表面到0. 32 μm深度处,电子温度迅速降低。这一区间内,相邻两层的电子温差较大,电子间以热传导的形式传递能量,使得下层电子温度升高。下层电子又通过电子- 晶格耦合作用将能量传递给晶格,使得晶格温度升高,而自身温度降低。晶格振动传递能量的速率比电子传递能量的速率小,晶格间的能量传递可忽略。因此,在该范围内电子和晶格温度的变化主要是通过电子热传导和电子-晶格耦合作用。深度> 0. 32 μm后,电子温度的变化越趋于平缓,晶格温度不再发生变化。该区间内电子温度很低,由于电子热容比晶格热容低得多,电子- 晶格耦合后晶格温度几乎不改变。
2. 2 脉宽对温度场的影响
相同能量密度( I = 509. 3 J/m2) 、不同脉冲宽度( 100 fs、200 fs、500 fs和800 fs) 的飞秒激光作用下,材料表层的电子和晶格温度随时间的变化情况如图2 所示,激光的脉宽越短,电子所能达到的最高温度越高,且达到最高温度所需的时间越短。而脉宽对晶格的最高温度影响不大。电子- 晶格的耦合时间为3 ~ 5 ps,且脉宽越短,电子- 晶格耦合达到热平衡的时间也越短。达到热平衡后,电子与晶格的温度都下降,这是因表层温度向材料深处传播。
2. 3 能量密度对温度场的影响
相同脉冲宽度( 100 fs) 、不同能量密度( 509. 30 J/m2、1 018. 59 J / m2、1 527. 89 J/m2和2 546. 48 J/m2) 的飞秒激光作用下,材料表层电子温度和晶格温度随时间的变化情况如图3 所示。由图可知,激光的能量密度越大,电子温度上升的越快,所能达到的最高温度越高,最终电子和晶格的热平衡温度也越高,并且达到热平衡所需的时间也越长。根据这一规律推知,激光能量密度大于某一临界值时,电子- 晶格耦合所需的时间将超过热扩散的特征时间,这种情况下热扩散开始起作用,材料发生热烧蚀。因此,飞秒激光脉冲存在一个临界的能量密度,小于该能量密度时,材料发生非热烧蚀,大于该能量密度时,材料发生热烧蚀。飞秒激光加工过程中需特别注意这个临界能量密度,以免对加工质量造成不良影响。
3 结束语
通过对飞秒激光作用下铜箔的温度场进行数值求解,研究了铜箔的温度场特征,并总结了脉冲宽度、脉冲能量密度等参数对电子和晶格温度演变的影响规律。结果表明: ( 1) 飞秒激光作用下,铜箔表层的电子温度首先升高,在10- 13s时间尺度内达到最大值,晶格温度则不变。此后,电子与晶格通过电子- 晶格耦合作用进行能量传递,在几个ps时间尺度内达到热平衡。电子和晶格温度都随深度的增加而降低。( 2) 飞秒激光脉宽越短,电子温升越快,峰值温度也越高,电子和晶格的耦合时间越短。( 3) 飞秒激光能量密度越大,电子温升越快,峰值温度也越高,电子和晶格的耦合时间越长。飞秒激光加工在医疗、微制造等领域具有广泛的应用,研究加工过程中材料的温度场特性对工艺参数的选取具有一定的参考意义。
摘要：为分析飞秒激光作用下金属材料的温度场及其影响因素,基于一维双温模型对飞秒激光作用下铜箔的温度场进行数值求解。采用脉宽100~800 fs,能量密度509.30~2 546.48 J/m2的激光参数进行计算,研究电子和晶格温度随时间和深度的变化规律。结果表明,电子温度在10-13s时间尺度达到峰值,在此期间晶格温度保持不变,此后通过耦合作用二者在几ps时间尺度达到热平衡;脉宽越短,电子温升越快、峰值温度越高、耦合时间越短;而能量密度越大,电子温升越快、峰值温度越高、耦合时间越长。
飞秒激光 篇8
关键词：飞秒激光,LASIK,应用,体会
近年来, 飞秒激光的应用给准分子激光视力矫正带来了技术的飞跃。为LASIK术搭建了一个更高的平台, 成为新的行业标杆。截止2009年, 全球已有超过两千台飞秒激光安装使用, 完成了250万例以上的无刀激光视力矫正手术。这一数字还在不断的扩大中, 随着装机量和手术量的扩大, 越来越多的医生开始关注飞秒激光技术和它的应用。2008年1月至2009年1月期间, 在LASIK术中应用飞秒激光对50例患者进行治疗, 取得了满意的疗效。
1 资料与方法
1.1 一般资料
我院在2008年1月至2009年1月期间收治了50例LASIK手术患者, 其中男性25例, 女性25例, 年龄20~23岁期间, 均为单纯近视眼患者, 术前对所有病人进行屈光状态, 检查及精确验光, 对患者进行结膜囊消毒及剪眼睫毛, 冲洗泪道及结膜囊。
1.2 手术方法
整个过程基本上分为制瓣、掀瓣、准分子激光切削、复位4个部分组成。
第一步基本上分为3个步骤:首先把塑料负压环压在眼球上, 其次将压平锥固定在负压吸引装置的可调节环上, 此时角膜被压平, 医师可通过软件控制程序进行第3步即制备角膜瓣, 由于医师可以观察整个制备过程, 并能控制角膜瓣的厚度、直径、蒂的位置和尺寸以及侧切结构[1]。使用飞秒激光制作角膜瓣时, 以非常高速的激光脉冲在角膜表面产生平整的切割表面, 可预留角膜蒂的位置, 避免制瓣失败。
第二步:掀开角膜瓣。
第三步:依据度数, 以准分子激光行表面切割。
第四步:复原角膜瓣, 手术完成。
1.3 结果
在获得随访 (随访期长达8~18个月) 的50个病例中, 视力恢复都达到了5.0, 无并发症发生, 角膜瓣愈合良好, 其术后医源性高阶像差减少, 视觉质量提高。
2 体会
飞秒激光把激光治近视手术推向了一个更精确、更安全、更清晰的新高度, 应用飞秒激光制作的角膜瓣比传统角膜刀制作的角膜瓣更均一、更规整, 精确性和可预测性更好, 传统的角膜刀制作角膜瓣会受到诸多因素的影响, 如角膜曲率、角膜厚度、角膜大小、手术医生的经验等。另外, 同一个角膜瓣的不同部位, 其厚薄也是不均匀的, 飞秒激光制作的角膜瓣是在计算机的精确控制下完成的, 制作的角膜瓣会按照事先设定的厚度、大小形成均匀一致的角膜瓣, 使用飞秒激光制作角膜瓣之后, 一些与微型角膜刀有关的角膜瓣并发症例如角膜瓣穿孔、不全瓣和负压丢失等大小减少。应用飞秒激光制作的角膜瓣在厚度、大小、形状、边切角、形态等方面均可以设定, 真正实现个性化的角膜瓣制作。与机械刀角膜瓣中央薄、周边厚的“新月瓣”不同, 飞秒激光角膜瓣的厚度均匀, 因此, 而产生的高阶像差也比较少, 多项对比研究结果显示, 飞秒激光LASIK在术后对比敏感度、高阶像差等方面均优于机械角膜刀[2]。毋庸置疑, 飞秒激光制作的角膜瓣与传统机械角膜刀制作的相比, 其角膜瓣的精确性、厚度均一性、规整性、边缘的整齐性和可预测性均好于角膜刀, 特别是制作薄角膜瓣时更为精确和方便, 而且手术过程也更加安全[3]。飞秒激光除了安全外, 实际上还有市场因素, 对机械刀的恐惧也是病人选择飞秒激光的主要原因。虽然LASIK手术是目前公认最为安全有效的近视矫正手术方法之一, 但是仍会给眼部造成一些病理改变, 除了单纯切削带来的影响, 其他如角膜上皮变薄、角膜细肥的丢失以及对眼表神经生长的影响, 都可能对眼前节的形态和功能造成损害, 一般认为上皮的修复在术后1个月内完成, 而角膜基质细胞的重新生长则可能持续数年, 这些细胞主要以新生的胶原进行填充和修复, 可能在较长一段时间内对角膜光学特征造成影响, 目前LASIK手术制瓣的方式有多种, 主要分为飞秒激光和机械角膜刀切割, 飞秒激光以脉冲式运转的激光, 持续时间非常短, 只有几个飞秒 (10~15) s, 与机械性角膜板层刀相比, 飞秒激光最大的优势在于它可以精确切割角膜获得厚度均匀一致的角膜瓣, 其精度是机械板层刀的3倍, 使用飞秒激光进行切削, 引起的眼表神经和血管的损伤较小, 加快了术后眼表的愈合, 降低了术后干眼症的发生率, 同时避免了因手术器械重复使用导致交叉感染的可能, 进一步提高了准分子激光的手术安全性, 由此可见, 飞秒激光是出色的技术、出色的疗效、更加安全的全激光LASIK手术。
参考文献
[1]Perry Binder intrdlase在眼科的应用[J].眼科世界报告, 2010, 3 (8) .
[2]王铮.飞秒激光在LASIK手术优势明显[J].眼科世界报告, 2010, 3 (14) .
飞秒激光 篇9
1 材料与方法
1.1 材料
试供水稻品种为龙稻5号,其干种子由黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所提供,含水量10%。
1.2 方法
1.2.1 试验仪器及辐照方法
激光器为哈尔滨工业大学提供的钛宝石超快激光器Tsunami100fs;输出功率650mW、频率1 000Hz、光斑半径2mm;设置不进行辐照处理的种子175粒作为对照组CK,辐照处理按处理时间不同分为6组,处理时间分别为3、5、7、9、11和13s。每组处理103粒。
将分组后的水稻种子并排放入自制种盘上,每2粒种子间隔4mm,每个种盘摆放50粒种子,将种盘固定在由计算机控制的载物台上,载物台可随设定好的程序以设定好的处理时间间隔移动,照射时将光斑覆盖在种胚部分并按设定好的照射时间移动逐个照射种子。
种子照射处理于2010年6月4日哈尔滨工业大学飞秒激光实验室完成。
1.2.2 观测项目
实验室观测:辐照后的种子和对照种子用蒸馏水浸种24h,再置于铺有吸水纸的培养皿中,在25℃的恒温箱中暗萌发,萌发过程中每天观察记载各处理发芽情况,3d后计算发芽势,5d后计算发芽率。稻种的发芽以胚根的长度与种子长度相等,胚芽长度约以种子长的1/2为标准。
温室播种观测:将正常发芽的稻种播种于黑龙江省农业科学院栽培所温室大棚的育秧盘中,育秧所用营养土按每100kg土加20kg过筛有机肥,加300g硫酸铵、300g碾碎的过磷酸钙和200g过磷酸钾,充分混拌均匀而成。待出苗3d后测量出苗率(出苗率/%=大于3cm的苗数/试验种子总数×100)、高度和叶宽,待幼苗都进入3叶期时取各处理幼苗叶片进行叶绿素含量[7]、POD酶和SOD酶活性测定。
2 结果与分析
2.1 不同剂量的飞秒激光对水稻种子发芽与出苗的影响
2.1.1 不同剂量飞秒激光对水稻种子发芽的影响
结果表明,发芽率、发芽势和发芽指数与飞秒激光的辐照时间长短关系密切(见表1)。辐照时间较短时,对发芽率等有一定刺激效应,但随着照射时间的增加,发芽率等急剧下降,表现明显的致死效应。由表1可知:3～9s的辐照处理对种子表现为刺激促进作用,其中辐照5和9s时,发芽势和发芽指数相对较低,因此,以辐照3和7s为宜。当辐照时间达到11s以上开始表现为抑制作用,其中13s处理达到了半致死效应。
2.1.2 不同剂量飞秒激光对水稻种子出苗的影响
待出苗后第3天测出苗率,出苗以苗长超过3cm为标准。播种后30d测量苗高和叶宽。由表2可知,飞秒激光辐照后出苗率比对照增加。3～11s的辐照剂量飞秒激光能提高水稻种子的出苗率。而13s处理则对水稻出苗产生抑制。飞秒激光辐照对水稻幼苗的生长也具有促进作用,由表2可知5～13s处理水稻苗高明显高于对照,并且随着辐照时间增长苗高逐渐呈增高趋势。辐照处理对叶面宽度影响不大。
2.2 飞秒激光对水稻苗期叶绿素含量及POD酶活性和SOD酶活性的影响
2.2.1 飞秒激光对水稻苗期叶绿素含量的影响
由表3可知,经飞秒激光处理后水稻苗期叶片的叶绿素含量增加,尤其以11和13s处理尤为明显,叶绿素参与光合作用,经飞秒激光辐照处理后的水稻幼苗叶片叶绿素含量增长,表明处理刺激了水稻幼苗的光合作用。
2.2.2 飞秒激光对水稻苗期POD酶活性的影响
POD的作用具有双重性,一方面表现为保护效应,另一方面表现为伤害效应,是植物衰老到一定阶段的产物。由图1可知,经过飞秒激光辐照后,水稻幼苗的POD活性明显提高,并且在0～7s内随着辐照时间的增加POD酶活性逐渐增大,在11～13s时POD酶活性开始下降,但仍明显高于对照。9s处理的POD活性与其它辐照处理产生差异。由于试验材料同处于幼苗期,所以POD酶活性上升是由于激光处理激发了水稻幼苗的保护效应,随时间增加而增强,13s后下降则可看出POD的保护效应由于激光刺激的增强达到极限而减弱。
2.2.3 飞秒激光对水稻苗期SOD酶活性的影响
由图2可知,经过飞秒激光辐照后水稻幼苗的SOD酶活性总体上下降很多,除9s处理外基本上随辐照时间的增强SOD值呈现下降趋势。9s处理的SOD值与其它辐照处理相比产生差异。
3 结论与讨论
从试验结果可以看出,经辐照后水稻种子的发芽率和发芽指数有不同程度提高。短时间飞秒激光辐照即3、5、7和9s可以作为提高种子发芽率发芽指数的辐照参数,其中以3和7s为宜,效果较明显。通过飞秒激光短时间辐照能够提高种子活力,从而得到更健壮的幼苗,这对确定播种量以及缩短水稻育苗时间具有一定的意义。经过飞秒激光辐照后,水稻幼苗叶绿素a、b明显提高,表明幼苗光合速率提高,能量干物质积累加快,外在表现为幼苗高度和叶宽增加,幼苗生长速度变快。而经过飞秒激光辐照幼苗POD酶逐渐增高SOD酶逐渐减少,此时水稻幼苗保护效应被刺激激发,抗性增大,水稻幼苗生长期间的抵抗能力增强。
此外在试验中发现辐照13s使种子发芽接近半致死;辐照9s时在POD酶和SOD含量变化柱形图中是SOD酶和POD酶含量的突变点,并不在预期变化范围内,推测9s处理可能造成了水稻幼苗的基因突变,使得SOD酶、POD酶含量变化异常。所以13和9s可以作为激光诱变的参考时间。
综上分析可以得出,飞秒激光辐照水稻种子可以刺激水稻种子发芽和幼苗的生长。
摘要：以水稻品种龙稻5号种子为试材,以波长800nm、光斑半径2mm、功率650mW、频率1 000Hz的飞秒激光分别辐照3、5、7、9、11和13s后,研究飞秒激光辐照处理对水稻种子发芽和苗期生长的影响。结果表明:飞秒激光辐照处理可以刺激水稻发芽和幼苗的生长,3～9s飞秒激光辐照处理,水稻发芽势和发芽率增高,而随着处理时间变长11～13s出现抑制发芽现象。苗期经处理后水稻植株比对照有不同程度增加现象,在11和13s处理株高变化较为明显。经辐照处理后幼苗叶绿素含量增加,POD酶活性增强,SOD酶活性减弱。
关键词：水稻,激光诱变,水稻幼苗,发芽率,POD酶
参考文献
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飞秒激光 篇10
研究极快脉冲激光与物质的相互作用机理,对提高微细加工的效率和加工精度以及激光损伤最小化等方面具有重要意义。自脉冲激光问世以来,其峰值功率已经提高了十几个数量级,同时,脉冲宽度达到了飞秒量级。如此高功率、脉宽超短的激光与物质相互作用的研究成为近年来应用物理、微细加工、薄膜处理、生物工程等领域的研究前沿。在微细加工领域,超短脉冲激光具有加工精度高、对材料的热损伤小、可实现对材料层层烧蚀及加工尺度可突破衍射极限的优点[1],现已成为各国研究者的热点研究对象。但大多是研究长脉冲激光与物质的相互作用,所得出的结论也只适用于皮秒与纳秒尺度,而在飞秒尺度内,这些模型不再适用。在自由电子运动的速率方程基础上,考虑了等离子体吸收效应对激光光强的影响,研究了飞秒脉冲激光对绝缘材料二氧化硅的烧蚀机理,所预测的理论烧蚀阈值与实验结果相吻合。
1 理论模型
1.1 光致损伤的速率方程
极快脉冲激光与材料相互作用时,若光强足够强,则材料在光致损伤过程中通过吸收光能激发电子而形成一薄层等离子体,密度在1018～1020e/cm3量级[2,3,4],该等离子体主要通过两种机理——雪崩电离和多光子电离产生。一般情况下,该两种电离机理是一个相互竞争的过程,没有严格的界线来区分。在长脉宽的情况下,雪崩电离是主要的电离机理,而在超短脉冲情况下则是多光子电离占主导。自由电子数密度逐渐增长,最终会达到某临界值,此时,材料的表层形成等离子体,约几个纳米厚度[5]。等离子体吸收激光能量使进入材料的光强衰减,光强低于一定的值,即不能继续剥离束缚电子,此所谓分布屏蔽效应[6]。等离子体继续吸收能量后将导致库仑爆炸及热熔化、非热相变等现象,从而使材料表皮层发生剥离,最终在材料表面形成烧蚀痕迹。
为了计算发生烧蚀所需要的激光能流密度,必须求出导带中自由电子数密度随时间的演化规律,此规律可用速率方程来描述,其形式为:
ρ为自由电子数密度,等号右边的前两项为产生自由电子的多光子电离和碰撞电离机制,后两项为自由电子的损失,即由于扩散而逃离激光焦点区域和自由电子——空穴重新结合成中性粒子的部分,在飞秒激光辐射时,由于扩散发生在几十到几百皮秒的范围,自由电子与空穴的重结合则需要更长的纳秒量级的时间,故该两项在飞秒时间尺度内对电子数密度影响很小,可以忽略,式(1)简化为:
初始条件为: ρ(-∞)=0 (3)
自由电子在等离子体中的动力特性严格来说应该用Fokker—Planck方程来描述,但是,Stuart[2]等人已经证明过,对于脉宽在数十皮秒以下的范围内,两种模型所得的结果对于绝缘材料来说是完全一致的。因此,我们采用形式上更为简洁的速率方程模型。式(3)的物理意义为导带中自由电子数为零。初始时刻取为t=-∞是为了简化高斯分布光强的表达式。
1.2 多光子电离率与雪崩电离率
多光子电离率,在光子频率远大于隧道频率的情况下,具有如下形式:
其中,为一标准dawson积分;I为光强;ω为激光频率;m′为电子的约化质量;ΔE为材料的带隙能量;e为元电荷;ε0,n分别为真空介电常数及材料的折射率;为突破带隙能量所需吸收的光子数。
电子雪崩电离率为:
式中的两项分别代表电子在电场中获得的能量及碰撞时传给分子的能量;为电子弛豫时间;M为材料分子质量。
1.3 等离子体吸收系数
较之没有考虑等离子体吸收影响的文献,在文献[3]中,作者考虑了该因素,但他们是在等离子体完全形成后才考虑对激光的影响,并且只将其作为一个常数对光强进行调整,类似情况在文献[7]中也出现。而实际上,等离子体对激光能量的吸收系数不是一个常数,它是随等离子体的密度而变化的。文中将等离子体吸收系数作为时间的函数进行描述,进而建立了激光强度与电子数密度及等离子体吸收系数三者相互耦合的数学模型,该模型在理论上更加完备。引入的随时间变化的等离子体吸收系数为:
其中,I(t)光强为高斯分布,数学表达式为:
c为光速,因为激光传播的空间距离为ct,则式(7)中的-α(t)ct项的物理含义为激光在介质等离子体中传播时,由于等离子体逆韧致吸收,使激光强度随距离按指数规律的衰减。
2 数值方法
2.1 速率方程的数值解法
由于式(2)中涉及的物理量均为原子量级,为了保证数值求解的稳定性,需将式(2)～式(7)构成的方程组无量纲化,无量纲时间基准为tp,能量基准为ΔE,自由电子数密度基准为ρ0,ρ0为发生烧蚀的临界自由电子数密度,可取为激光频率ω与等离子体电子振荡频率ωpe相等时的数密度
将时间t离散化后,由于ρ(t)与α(t)相互耦合,故在时间点ti采用松弛迭代法求解ρ(ti),其迭代格式为:
ρ(p)(ti+1)=ρ(p-1)(ti)+ωλΔρ
其中,p为迭代次数,ωλ为松弛系数,Δρ为相邻两次迭代的变化量。当相邻两次的迭代相对误差ε<0.001时,即可认为ρ(ti)达到稳定值,而后采用Runge—Kutta法对ti+1时刻进行步进求解。
2.2 烧蚀阈值的计算
对自由电子数密度的变化进行跟踪,可以计算出无量纲自由电子数密度ρ*=1时的无量纲时间t*c,则无量纲临界烧蚀能流密度阈值为:
有量纲的烧蚀阈值为:Fc=F*cImaxtp。
3 结果及讨论
数值计算所用的物理量及其数值列于表1。
图1为电子数密度随时间的变化,其中脉冲宽度分别为400fs,1ps;激光波长分别为526mm,1053mm。
在受到激光辐射后,自由电子数先以几何级数的形式快速增长,继而达到某饱和值,形成等离子体,这样的状态可以持续大约几十到几百纳秒,直到材料被剥离。电子数密度的该演化趋势已经被电子飞行时间光谱实验所证实[8,9,10,11]。
图2为等离子体吸收系数随时间的变化,可以看到,其值并不是一个常量,而是随着时间变化。
从图2可以看出,等离子体吸收系数经过一定时间后达到稳定值,此时,激光不再被吸收而被完全反射。不同的吸收系数对后续光强有不同的影响,沉积在等离子体中的光能也因此存在差异,计算出的烧蚀阈值就会不同。
图3为光波长为526nm,1053nm时,烧蚀阈值随脉冲宽度的变化曲线与实验结果的比较。同时,对不考虑等离子体吸收系数时的情况也进行了数值模拟,如图中虚线所示。
可以看出,不考虑等离子体吸收效应的烧蚀阈值随着脉宽tp的增加与实验值的偏差逐渐增大。这说明,等离子体吸收效应不能忽略[1]。对于λ=1053nm的情况,当脉宽超过10ps之后,模拟结果比实验数据稍稍偏大,这是因为在速率方程中,省略了由于扩散而逃离激光焦点区域和电子——空穴重新结合成中性粒子的部分,该两部分的影响对于脉宽超过10ps时是不可以忽略的[3],由于电子数密度的减少要求有更大的光强来提高雪崩电离率和多光子电离率以使之能达到临界电子数密度,客观上要求达到更大的烧蚀阈值来实现材料的烧蚀,如此看来,结果与实验数据存在偏差是完全合理的;在短脉冲λ=526nm范围内,本文的模型在整个脉宽范围均与实验值吻合的较好。
4 结论
以自由电子运动的速率方程模型为基础,研究了等离子体吸收效应对烧蚀过程的影响,建立了激光强度与电子数密度及等离子体吸收系数三者相互耦合的数学模型,计算出飞秒激光烧蚀绝缘材料二氧化硅时的烧蚀阈值,得出与实验数据较一致的结果,说明该模型能正确描述极快脉冲激光烧蚀绝缘材料的物理机理,并且等离子体吸收效应是影响烧蚀阈值的一个重要因素。
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飞秒激光 篇11
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摘要：该报告的内容按编队卫星飞行的星间绝对距离测量与时间统一、编队构型的精确控制两部分独立展开。编队测量方面:完成了星间相对导航、精确定位的方案设计, 主要是基于飞秒激光飞行时间的绝对距离测量方法与基于压电偏摆镜的锁相环路实现的。利用由主星发射的三路独立的飞秒激光绝对距离测量获得子星靶标的3个微米精度的绝对信息, 其中微米精度是由飞秒激光的高时间分辨本领决定的;利用压电偏摆镜的锁相环路建立了星间自由光通信链路, 使得测距激光脉冲能够实时跟踪自由漂浮的子卫星角锥棱镜。给出了基于飞秒激光的相对导航以及基于压电偏摆镜的跟瞄系统锁相环路的设计方案并基于已有条件测试了压电偏摆装置的稳定性, 设计了跟瞄与测距系统集成方案, 为三路测距与跟瞄、并实现精确定位的实验演示验证打下了基础。实验上, 针对小卫星搭载的需求, 建立了一台高稳定性、高集成度、全保偏结构的掺铒光纤飞秒激光源, 测距、跟瞄与星间时钟统一的工作将主要依赖该飞秒激光源展开。编队控制方面:分析了编队卫星的动力学机理。以近距离航天器相对运动方程为基础, 分析了编队飞行的基本特性, 分析了不同动力学模型的特点, 确立了不同应用场合下动力学模型的选取准则。然后, 考虑到微小卫星质量与载荷限制导致携带燃料有限, 而编队初始化是个能耗较大的变轨过程, 基于Gauss伪谱法为编队初始化过程设计了最优轨迹。最后, 研究了卫星编队构型保持控制问题。首先确定了主从式的卫星编队协同控制结构。在该控制结构下, 基于非线性相对轨道模型, 分别采用传统滑模控制方法、自适应滑模控制方法设计了构型保持控制器, 并对所设计的控制算法进行了仿真验证, 验证了所设计控制算法的鲁棒性。
关键词：飞秒,绝对距离测量,光束跟踪,自适应滑模法