通过独特地依赖激光重复频率，对聚合物上的热扩散进行适应性调整，以实现烧蚀冷却效果

《Optics & Laser Technology》：Tailored adaption of thermal diffusion by ablation cooling on polymers through unique dependence on laser repetition rate

高重复率飞秒激光处理中聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的热积累与烧蚀冷却效应分析。通过实验和热模型研究发现，重复率超过100 kHz后扩展热直径显著减小，烧蚀直径趋于稳定，表明烧蚀冷却主导热效应，模型有效预测材料改性尺寸。

　　近年来，随着科学技术的快速发展，超短脉冲激光技术在材料加工领域展现出了巨大的潜力。特别是飞秒激光技术，因其脉冲持续时间极短（通常在飞秒级别），能够有效地在材料中产生非线性效应，从而实现更精确的加工效果。这种技术在工业应用中尤为重要，因为它能够减少材料的热影响，提高加工效率，并且在某些情况下可以避免材料的热损伤。然而，尽管飞秒激光具有诸多优势，其在高重复率下的应用仍面临一些挑战，尤其是在热积累和屏蔽效应方面的复杂性。

在高重复率的飞秒激光加工过程中，热积累是一个关键因素。当脉冲之间的间隔过短时，材料没有足够的时间冷却，导致热量在脉冲之间不断累积。这种现象在GHz级别的重复率下尤为明显，它不仅增加了材料的温度，还可能降低加工效率，甚至引发材料的不期望的变形或破坏。因此，理解高重复率飞秒激光加工中的热效应及其与屏蔽效应之间的关系，对于优化加工参数和提高加工质量至关重要。

与金属和半导体不同，聚合物在高重复率飞秒激光加工中表现出不同的特性。聚合物通常具有较低的热扩散率和较高的相变温度，这使得它们在较低的重复率（如低于1 MHz）下仍然能够观察到明显的热扩散效应。然而，由于其较低的热扩散率，聚合物可以在较低的重复率下实现热积累，从而减少热扩散对加工区域的影响。这种特性使得聚合物在高重复率飞秒激光加工中表现出独特的热行为，包括热饱和和热冷却效应的相互作用。

为了深入研究这些现象，研究人员对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料进行了系统性的实验和模拟分析。实验中，使用了不同重复率（10 kHz至1 MHz）、不同脉冲数（200至400）和不同能量密度（0.91至1.68 J/cm2）的飞秒激光（波长为515 nm，脉冲宽度为450 fs）进行加工，并通过光学显微镜和共聚焦显微镜对加工后的材料表面进行了观察和分析。结果表明，随着重复率的增加，材料的热扩散效应逐渐减小，而热冷却效应则开始显现，从而减少了热影响区域的扩展。

在热模型方面，研究人员建立了一个基于热扩散的有限差分模型，用于模拟和预测PET在不同重复率下的热行为。该模型考虑了热容量随温度变化的特性，以及材料在达到分解温度后不再参与热传导的过程。通过该模型，可以更清晰地理解热积累和热冷却之间的相互作用，以及它们如何影响加工区域的扩展和材料的修改效果。

实验结果表明，当重复率在100 kHz至1 MHz范围内时，PET的热扩散效应和热冷却效应之间达到了某种平衡。在这一范围内，热积累效应导致材料的热影响区域逐渐增大，但随着重复率的进一步提高，热冷却效应开始主导，使得热影响区域的扩展受到限制。这种现象在高重复率下尤为显著，因为热冷却效应可以有效减少材料的热扩散，从而提高加工的精度和效率。

此外，研究人员还发现，对于PET材料来说，热冷却效应并不依赖于能量密度或脉冲数，而是主要由重复率决定。这意味着，在设计飞秒激光加工参数时，可以通过调整重复率来优化热冷却效应，从而减少不必要的热扩散和材料损伤。这一发现对于在高重复率下进行精确加工具有重要意义，因为它表明，即使在较低的重复率下，也可以通过控制热冷却效应来实现高质量的加工效果。

在实际应用中，飞秒激光加工技术已被广泛应用于多种材料的加工，包括聚合物、金属和半导体。然而，对于聚合物材料而言，由于其独特的热物理特性，高重复率下的加工行为与金属和半导体存在显著差异。例如，在金属和半导体中，热冷却效应通常在GHz重复率下才开始显现，而在PET中，这一效应可以在MHz重复率下观察到。这表明，聚合物在高重复率下的热行为具有一定的独特性，可能为其他材料的加工提供新的思路和方法。

为了进一步验证这些发现，研究人员通过实验和模拟相结合的方式，分析了不同重复率下PET的热影响区域和加工效果。实验结果显示，随着重复率的增加，热影响区域的扩展逐渐减小，而加工后的微孔直径则趋于稳定。这一现象表明，热冷却效应在高重复率下起到了重要的作用，有效减少了热扩散对材料的影响。

总的来说，这项研究揭示了高重复率飞秒激光加工中热冷却效应的重要性，尤其是在聚合物材料的加工过程中。通过理解热冷却效应与热积累效应之间的关系，研究人员能够更好地优化加工参数，提高加工精度和效率。这些发现不仅对PET材料的加工具有指导意义，也为其他材料在高重复率下的加工提供了理论支持和实践参考。未来，随着飞秒激光技术的不断进步，如何在不同材料中有效利用热冷却效应，将成为材料加工领域的重要研究方向之一。