CO2激光焊接机的光纤PIC焊接高效耦合技术详解

Fraunhofer IZM 的研究人员和合作伙伴开发了一种新的激光焊接工艺，无需胶水即可将光纤粘合到光子集成电路 (PIC) 上。这种方法可以大规模生产，使生物光子应用在商业上更具可行性。

传统上，PIC 玻璃纤维需要粘合剂。然而，从长远来看，粘性化合物会导致光降解，从而导致光传输损失。粘合剂的柔软性会随着时间的推移改变组件的位置，从而在两层玻璃之间产生交叉。随着粘合剂的老化，它会导致信号衰减和连接薄弱。

为了解决接头寿命问题，该团队开发了一种 CO2 激光焊接方法，以创建直接、耐热和透明的玻璃与玻璃连接。为了使该技术更接近工业化和高可扩展性，该团队开发了一种全新的自动化工艺系统，该系统有效地结合了无粘合剂接口和光纤 PIC 组件，包括集成波导。

再者，由于玻璃纤维和支撑体的体积不同，在接头处两部分的热容量也不同，导致加热和冷却性能不同。如果间隙没有正确填充，冷却过程中可能会出现变形和裂纹。为了解决这个问题，该团队使用单独调谐的激光器来均匀预热基板，以便光纤和基板的熔化步骤同时发生。

据该团队称，开发的系统专为工业环境而设计，允许客户使用 PICS 实现高端自动化和切换效率。这是量子通信和高性能光子学的重大突破。

超快激光-金属相互作用理论

1. 消融阈值理论

Liu et al., 1997 提出阈值理论：当金属被去除时，必须达到去除阈值，即去除材料所需的最小能量，才能保证去除材料。

显然飞秒激光只有在达到一定的能量密度时才能去除或改变材料，所以飞秒激光去除材料时存在阈值效应。如果只有激光功率 fs 发生变化，而其他激光参数 fs 保持不变，则对于给定的材料，存在可导致材料烧蚀的最小激光功率 fs，该值被认为是材料烧蚀阈值。对于这个状态。然而，激光脉冲去除材料的不确定性很大。因此，当使用阈值消融能量激光去除材料时，会达到不同的治疗效果。研究人员通常使用提供大于 50% 的烧蚀率的激光能量作为材料烧蚀阈值。此外，阴影效应在材料的脉冲激光烧蚀中也起着重要作用。特别地，在相同的能量下，两个或多个脉冲的材料去除阈值低于相同条件下的单个脉冲的阈值。

2.液相撞击理论：

激光烧蚀有三种主要的材料去除方法：蒸发、熔化和液体喷射。然而，对于超快激光器，Martyniuk 表示，表面液体射流在材料去除过程中起着主导作用。 FS 激光器具有非常高的峰值功率和非常短的脉冲持续时间。在金属的激光烧蚀过程中，金属烧蚀区域的表面会出现高温液体。当这种高温液态金属用高能激光照射时，它变得非常不稳定。

平衡曲线的上半部分代表液相，平衡曲线的下半部分代表气相，或 TIME。气液平衡共存线。 Martyniuk 发现，自发成核率与材料的实时温度呈指数关系，即高温时的成核率远高于低温时的成核率。 Li 等人提出，自发成核率随温度高于 0.9 TCP 呈指数增加。因此，当直线与旋节曲线相交时，大量的原子核开始在液态金属中。压力突然增加会释放液体和蒸汽，导致液相爆炸。

超快激光-金属相互作用模型

1、双温机型：

为了研究超短脉冲激光与金属之间的相互作用，Anisimov 等人从 1974 年开始开发了一个经典的研究模型。该模型主要分析电子温度 Te 和晶格温度 Tl 随时间的演变，因此得名双温度模型。

双温度模型显示了光子电子和电子晶格的温度从 fs 到 ps 的演变。然而，之前的双温度模型有一个重要的局限性，即它们只能在待去除材料的电子温度低于费米温度时使用，这限制了高激光能量金属材料的烧蚀。为了使双温度模型适用于高激光能量，Jiang 等人。具有双温模型，因此双温模型可用于估计材料在高电子温度条件下的性质：1）自由电子由费米-狄拉克分布计算 2）量子给定模型等离子体通过写玻尔兹曼方程，计算弛豫时间和电导率值； 3)反射系数和吸收系数是根据改进的Drude模型详细计算得到的。将该模型与已发表的专着中的数据进行比较，发现改进的双温度模型比传统的双温度模型更准确地估计损伤流。

当脉冲宽度为 200 fs 时，电子的温度上升较快，并在晶格仍处于“冷态”时迅速达到峰值。也说明当激光与金属材料相互作用时，主要由于自由电子吸收大量的激光能量，加热材料后被消除。当辐射中断时，由于键合过程，电子和晶格达到平衡温度。

2.分子动力学模型。

为了描述分子动力学，建立了基于统计物理学的分子动力学模型。该模型通过记录粒子的动态轨迹来准确分析整个系统的变化。分子动力学模型适用于描述物质的激光烧蚀过程，因为该方法旨在直接描述纳米级粒子的运动。因此，许多研究人员在他们的实验中使用分子动力学模型来密切监测系统的变化。通常，分子动力学方法旨在通过创建每个原子的运动受其他粒子影响的模型来定量模拟所有系统中粒子的变化轨迹。

功能化金属表面超快激光微加工的科学进展

材料表面的物理和化学性质，特别是对光、电、磁、热、声、力和化学等外部能量的反应，对材料的许多功能和性能的实现起着决定性的作用。比如光的吸收。 /反射特性、流体动力学特性、摩擦学特性、界面结合/吸附特性、化学/电化学催化特性。采用高速激光微纳米加工技术，在材料表面加工出各种微纳米结构，赋予材料表面特殊功能。

微观结构

由于非常快速的激光加工，可以获得不同的微纹理。基本上它分为1）锁和柱，2）立方体和网格，3）坑。形成的机理是照射在材料表面的激光能量密度超过材料的烧蚀阈值，导致表面材料的烧蚀。不同的微结构可以在不同的激光烧蚀路径和扫描时间条件下形成。在本节中，我们关注微纹理的形态和加工参数。

FS激光器与材料的相互作用机理不同。由于金属中含有大量自由电子，当飞秒激光照射金属基体时，自由电子吸收激光能量，材料温度迅速升高，导致材料被去除。非金属材料的自由电子比金属材料少得多，所以机理不同。激光辐射与物质相互作用的第一步是将光子吸收到电子中。线性吸收是金属的主要吸收机制，而非线性吸收是半导体、绝缘体和绝缘体的主要吸收机制。

超快激光-金属相互作用的理论与建模

许多研究人员提出了各种理论和模型来解释激光与超快材料的相互作用机制。