新一代飛秒激光在超精細(xì)冷加工中的新應(yīng)用

原中國航空精密機(jī)械研究所 （北京 100076）榮烈潤

1.概述

飛秒激光技術(shù)是隨著鎖模技術(shù)發(fā)展起來的，1965年人們首次利用被動(dòng)鎖模技術(shù)在紅寶石激光器上直接產(chǎn)生了皮秒（ps=10－12s）脈沖，隨后1976年利用對(duì)撞鎖模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了0.3ps激光輸出，1981年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室Fork.R.L.等首次利用對(duì)撞鎖模原理獲得了飛秒（fs=10－15s）脈沖。從此激光技術(shù)進(jìn)入了飛秒時(shí)代。但由于當(dāng)時(shí)產(chǎn)生飛秒激光器的染料激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以其操作性差，并且實(shí)現(xiàn)小型化和應(yīng)用化困難。

20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了以摻鈦藍(lán)寶石（Ti：sapphire）晶體為代表的多種性能的固體激光晶體（輸出波長約為800nm），為飛秒激光器的固體化、實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。到了20世紀(jì)80年代末期，開發(fā)出的鈦寶石（增益介質(zhì)）具有極佳的物理性能，為非常寬的發(fā)射帶寬，增益帶寬達(dá)到230nm，理論上可獲得3fs脈沖輸出，在超短飛秒脈沖激光器中發(fā)揮了重要作用。

2.加工特點(diǎn)

飛秒激光的加工機(jī)理與普通的長脈沖激光（CO2激光、Nd:YAG激光）加工不同，它能以極快的速度將其全部能量（最大峰值功率可達(dá)1 012W甚至1 015W量級(jí)）注入到很小的作用區(qū)域，瞬間內(nèi)產(chǎn)生的高能量密度（其峰值功率密度達(dá)到1 022W/cm2以上）的沉積將使電子的吸收和運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生變化，可以避免線性吸收、能量轉(zhuǎn)移及擴(kuò)散過程等的影響，從根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)制，使其在處于當(dāng)今技術(shù)前沿的超快激光精細(xì)冷加工方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢及廣泛的應(yīng)用前景。這種具有高精度、超高空間分辨率及超高廣泛性的冷加工過程，使飛秒激光在微電子、光子學(xué)和MOEMS（激光機(jī)電系統(tǒng)）等高新技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用前景巨大。

準(zhǔn)分子激光雖然與飛秒激光一樣均可以進(jìn)行表面微加工，但準(zhǔn)分子激光加工有其固有的缺陷，對(duì)加工對(duì)象依據(jù)波長對(duì)材料有選擇性，加工處理的材料與范圍受限制（這是由于其加工過程基于材料對(duì)光子的共振吸收造成的）。另外，準(zhǔn)分子激光由于激光輻射可被透明材料表面吸收，故只能進(jìn)行表面微細(xì)加工。而飛秒激光不僅能進(jìn)行表面微細(xì)加工，而且可在透明材料內(nèi)部進(jìn)行加工。且飛秒激光加工尺寸更小，加工精度更高。

與常規(guī)激光相比飛秒激光的超精細(xì)冷加工具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）加工尺寸小，可實(shí)現(xiàn)超微細(xì)（亞微米至納米量級(jí)）加工。一般激光加工區(qū)域的橫向尺寸要大于激光波長尺寸，這是由于受到衍射極限的限制造成的。盡管飛秒激光的聚焦光斑尺寸也不可能小于半個(gè)波長，但飛秒激光由于峰值功率極高，與物質(zhì)相互作用不是單光子過程，而主要是多光子過程。如果通過調(diào)節(jié)激光入射能量，則能使加工過程的能量吸收及作用范圍被局限于焦點(diǎn)中心位置的很小一部分體積內(nèi)，而不是整個(gè)聚焦光斑輻照的區(qū)域，這時(shí)加工尺寸可遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聚焦光斑尺寸，突破了光束衍射極限，達(dá)到亞微米甚至納米級(jí)。

（2）加工熱影響區(qū)小，可實(shí)現(xiàn)高精度的非熱熔性加工。由于飛秒激光可以在極短的時(shí)間和極小空間范圍內(nèi)以極高的激光功率密度作用于材料，在沒有熱擴(kuò)散的極短時(shí)間內(nèi)使電子溫度達(dá)到極高，使物質(zhì)從固態(tài)瞬間變?yōu)楦邷?、高壓的等離子體態(tài)，迅速的噴射形式脫離加工基體，其周圍物質(zhì)仍處于“冷狀態(tài)”，因此與長脈沖激光加工相比，飛秒激光沒有熱擴(kuò)散，加工邊緣整齊及加工精度高，實(shí)現(xiàn)了所謂的“非熱熔性”加工。

（3）能克服等離子體屏蔽，具有穩(wěn)定的加工閾值，加工效率高。在長脈沖激光加工中，由于入射激光會(huì)被等離子體吸收與散射，造成激光與材料耦合效率的減弱，等離子體屏蔽是一個(gè)重要問題。而當(dāng)采用100fs超短脈沖激光加工時(shí)，在等離子體臨界密度達(dá)到之前，脈沖能量已經(jīng)結(jié)束沉積，即在等離子體向外膨脹之前，飛秒激光的輻射已經(jīng)結(jié)束，這樣就避免了等離子體屏蔽的出現(xiàn)，有利于提高飛秒激光的能量耦合效率，從而也提高了飛秒激光的加工效率。此外，在長脈沖激光加工中，激光加工的穩(wěn)定性常常受到材料摻雜及缺陷的影響。而飛秒激光加工材料時(shí)，由于多光子電離作用，材料的摻雜和缺陷對(duì)激光燒熔閾值影響很小，所以能使加工閾值更趨穩(wěn)定。

（4）可實(shí)現(xiàn)精密的三維加工。聚焦強(qiáng)度位于燒熔值附近的飛秒激光束可以毫無衰減地到達(dá)透明材料內(nèi)的聚焦點(diǎn)，并在聚焦點(diǎn)可以獲得極高的激光功率密度，產(chǎn)生多光子吸收及電離，使飛秒激光加工過程具有嚴(yán)格的空間定位能力，實(shí)現(xiàn)透明材料內(nèi)部任意位置的三維超精細(xì)加工。

（5）加工材料范圍廣。由于多光子吸收（非共振吸收）及電離閾值僅與材料中的原子特征有關(guān)，而與其中的自由電子濃度無關(guān)，因此飛秒激光可對(duì)任何材料實(shí)現(xiàn)精細(xì)加工，而與材料的種類及特性無關(guān)。飛秒激光可以精細(xì)加工光學(xué)玻璃、陶瓷、各類電介質(zhì)材料、各種半導(dǎo)體、聚合物以及各種生物材料乃至生物組織，特別是對(duì)熔點(diǎn)相對(duì)較低，且易產(chǎn)生熱擴(kuò)散的金屬材料進(jìn)行精細(xì)加工，飛秒激光以其“非熱熔性”的“冷”加工，展示出它的極大優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

3.加工系統(tǒng)

圖1 飛秒激光微加工系統(tǒng)光路示意圖

圖1為飛秒激光微加工系統(tǒng)光路示意圖。飛秒激光器輸出的超短脈沖激光束，通過一個(gè)半波片與格蘭棱鏡可調(diào)節(jié)激光脈沖能量；利用光闌去除光路中的雜散光，提升光束質(zhì)量；采用機(jī)械快門來控制曝光脈沖數(shù)。加工試樣放置在三維數(shù)控精密移動(dòng)工作臺(tái)上，飛秒激光束經(jīng)全反鏡反射和顯微物鏡聚焦后垂直照射在試樣表面，由計(jì)算機(jī)精確控制樣品的移動(dòng)，完成激光掃描加工。通過與顯微目鏡相連的CCD實(shí)時(shí)觀測飛秒激光的燒蝕過程并可拍照記錄。

4.利用飛秒激光實(shí)現(xiàn)超精細(xì)加工

自從飛秒激光開始用于材料加工以來，由于其獨(dú)特的加工優(yōu)勢，獲得了國內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注。并已廣泛開展了飛秒激光對(duì)玻璃、陶瓷、金剛石、半導(dǎo)體、各種聚合物與金屬材料的微細(xì)加工研究。

（1）打孔：1996年，Chichkov BN 等進(jìn)行了飛秒、皮秒、納秒激光脈沖對(duì)鋼片進(jìn)行打孔的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示用飛秒激光加工的金屬表面沒有熔化痕跡，孔的四周邊緣呈現(xiàn)光滑、清潔，沒有飛濺物，如圖2所示。

圖2 飛秒、皮秒、納秒打孔對(duì)比

2003年，Barsch N等進(jìn)行了飛秒激光在半導(dǎo)體材料表面打孔、切割、開槽的微細(xì)加工研究。圖3為采用飛秒激光在500μm厚的硅片上加工的微孔和微齒輪。

圖3 飛秒激光在硅片上加工的微孔和微齒輪

為了減少光電倍增管的尺寸，德國研究人員已成功地采用飛秒激光在7μm厚鎳箔上加工出了光電倍增管的六角篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其加工的六角形篩網(wǎng)最小尺寸可達(dá)10～20μm，而且可以在較大直徑（12mm）上加工。

2003年，Chichkov采用150fs飛秒激光在1mm厚的不銹鋼進(jìn)行打孔試驗(yàn)，獲得了極好的微加工質(zhì)量。并對(duì)高能量密度飛秒激光打深孔的加工機(jī)理進(jìn)行了研究。

2004年， Simon等采用飛秒激光在不銹鋼和金屬鈦薄片上制備出由亞微米小孔構(gòu)成的規(guī)則圖案。

2005年，Zheng HY等采用飛秒激光在藍(lán)寶石晶體表面制作出了亞微米圖案。

（2）切割：由于飛秒激光在激光作用區(qū)瞬間上升溫度極快，等離子體的形成使物質(zhì)去除的速度加快，且加工時(shí)的輸入能量小，作用區(qū)周圍呈現(xiàn)冷態(tài)，所以飛秒脈沖激光常被用于加工易爆易燃物，對(duì)易爆裝置進(jìn)行切割加工，拆除炸彈、雷管等。如用長脈沖切割加工，可能會(huì)造成點(diǎn)燃爆炸，對(duì)操作人員有安全危害。

當(dāng)脈沖能量較大時(shí)，飛秒激光可用于導(dǎo)線外部絕緣層的無刻劃痕要求的細(xì)導(dǎo)線的剝線。這在軍事和航空航天工業(yè)中是一項(xiàng)非常重要的應(yīng)用。如采用機(jī)械方式很易弄壞導(dǎo)線。若在顯微鏡下手工操作，則過程單調(diào)易使操作者失誤。通過使用CCD成像光學(xué)觀察系統(tǒng)及數(shù)控精密移動(dòng)設(shè)備，并引用兩束分成180°角的光，則可以獲得精確的激光剝線效果。

（3）直寫與制作：①制作光波導(dǎo)。飛秒激光制作光波導(dǎo)和光耦合器對(duì)基片材料的選取無嚴(yán)格的限制，可以是硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、非線性晶體等。光波導(dǎo)也可以位于材料內(nèi)部的三維空間的任意位置，而且還可以制作任意形狀的二維波導(dǎo)和三維波導(dǎo)、分束器等光子器件，這在光通信（集成光學(xué)）方面有很大的應(yīng)用前景。日本利用再生放大的鈦寶石飛秒激光在各種玻璃上加工了光波導(dǎo)。美國哈佛大學(xué)將直接聚焦沒有放大的飛秒激光脈沖（輸出能量為納焦耳），在玻璃上加工（寫入）光波導(dǎo)，大大提高加工速度并降低了加工成本。德國利用飛秒激光在SiO2內(nèi)獲得了2.5cm長的光波導(dǎo)，對(duì)待輸出光損耗可低 1dB/cm。并可以通過控制寫入速度來控制光波導(dǎo)的模數(shù)目。利用飛秒激光已在磷酸鋁玻璃中寫入了橢圓形波導(dǎo)。②制作微光柵。多年以來，人們一直在利用各種方法研究提高光柵的各種性能。由于飛秒激光對(duì)物質(zhì)進(jìn)行處理的過程具有熱作用區(qū)域小、加工精度高和作用時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，因此成為制作高性能光柵的新工具。采用飛秒激光制作納米級(jí)光柵結(jié)構(gòu)國內(nèi)外均有報(bào)道。為800nm飛秒激光在BBO晶體表面刻寫的衍射光柵；用重復(fù)頻率為200kHz的飛秒激光在熔融石英中制作了透射式相位光柵；利用790nm波長，150fs的飛秒激光在平面硅片內(nèi)部制作了衍射光柵；上海光學(xué)精密機(jī)械研究所采用飛秒激光在硅玻璃面刻劃出了達(dá)曼光柵，并具有良好的衍射效果。近年來，用飛秒激光制備微納米周期結(jié)構(gòu)的研究已成為飛秒激光超精細(xì)加工應(yīng)用技術(shù)的又一重要方向。

（4）三維微制造技術(shù)：飛秒激光制作聚合物材料的三維微結(jié)構(gòu)。聚合物與高分子材料由于具有很強(qiáng)的可適應(yīng)性及熱穩(wěn)定性，所以在許多領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用，某些高分子材料還具有很好的生物相容性與可降解性，在生物醫(yī)學(xué)上是人體的首選材料，為此聚合物與高分子材料的精密微細(xì)加工與制造具有特別重要的意義。為用飛秒激光制作高分子材料醫(yī)用微型支架。

飛秒激光聚合物微細(xì)加工方面有兩種加工機(jī)制：雙光子聚合制備三維微細(xì)納米結(jié)構(gòu)和激光燒蝕微細(xì)加工。飛秒激光雙光子（或多光子）聚合物微納米制作技術(shù)同其雙（多）光子作用的完全光強(qiáng)依賴性，可以加工遠(yuǎn)小于衍射極限的微結(jié)構(gòu)甚至是納米結(jié)構(gòu)。2001年研究人員利用雙光子聚合物獲得長10μm，高7μm，最細(xì)微部分的尺寸為120nm的各種姿態(tài)的“納米?！薄?004年Deube等采用飛秒激光直寫技術(shù)在SU8上加工了40層的三維光子晶體，光子晶體的禁帶范圍為（1.3～1.7）μm。2003年，Serbin等采用飛秒激光雙光子聚合在無機(jī)/有機(jī)混合材料上，得到了結(jié)構(gòu)尺寸小于200nm，周期為450nm的三維光子晶體結(jié)構(gòu)。

飛秒激光制作微光結(jié)構(gòu)。除了利用飛秒激光制作微光波導(dǎo)、微光柵外，還可制作反射鏡、微透鏡、微光分夾鏡以及菲涅爾波帶片等。2003年，Cheng等在一種商用玻璃中寫入一個(gè)包括三個(gè)微反射鏡的復(fù)雜的三維光學(xué)元件，組成了一個(gè)微型光路。2006年，Cheng等采用飛秒激光在感光玻璃上加工出了圓柱微透鏡和半球形微透鏡。

飛秒激光制作三維微機(jī)械零件。采用飛秒激光可制備三維機(jī)械零件。圖4為用飛秒激光制作的微型懸臂梁，另外利用飛秒激光已制作出不銹鋼微齒輪。

圖4 飛秒激光制備的微型懸臂梁

只有精度更高的飛秒激光微細(xì)加工系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)真正的NEMS（納米電子機(jī)械系統(tǒng)）。因?yàn)轱w秒激光在加工投射介質(zhì)時(shí)其優(yōu)勢特別明顯，它應(yīng)用于三維微細(xì)制作系統(tǒng)有著獨(dú)特的優(yōu)勢?，F(xiàn)在商業(yè)化飛秒工作臺(tái)不僅可在玻璃中制作無源或有源波導(dǎo)，還可以制作高質(zhì)量射流微通道。此種加工技術(shù)將在微流系統(tǒng)制作及光通信元件工業(yè)中起著重要作用。相信隨著研究工作的深入，飛秒激光三維微制備技術(shù)在微電子、計(jì)算機(jī)、光通信、生物醫(yī)學(xué)等高新技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

（5）特殊材料的飛秒激光微細(xì)加工。由于非晶合金有著許多優(yōu)良特性，所以在當(dāng)前發(fā)展極快的MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）領(lǐng)域，被認(rèn)為是新的極具前途的材料。國內(nèi)外都在研究采用飛秒激光加工非晶合金。另外，也在研究采用飛秒激光燒蝕鈮酸鋰晶體。因?yàn)樗膬?yōu)良性能成為集成光波導(dǎo)材料中最具有應(yīng)用潛力的晶體材料。它可以作為光折變晶體，在光存儲(chǔ)、光放大、光通信等光信息處理領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。

5.結(jié)語

飛秒激光的超精細(xì)冷加工，作為一個(gè)新興的前沿科技領(lǐng)域，當(dāng)然還存在一些急待解決的問題，為飛秒激光與各種不同光學(xué)材料的相互作用機(jī)理；研制雙光子吸收和多光子吸收截面大的材料，降低飛秒激光器的價(jià)格等。隨著研究工作的深入，飛秒激光三維微制備技術(shù)在微電子、計(jì)算機(jī)、光通信、生物醫(yī)學(xué)等高技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。