飛秒激光微加工的研究進(jìn)展

顧 理，孫會來，于 楷，趙方方

(1．天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300387;2．四川省制造與自動化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西華大學(xué)，四川成都610039;3．遼寧省鐵嶺港華燃?xì)庥邢薰炯夹g(shù)設(shè)備部，遼寧鐵嶺112000)

1 引言

激光作為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，自1960年Maiman利用紅寶石實(shí)現(xiàn)的第一臺激光器，已經(jīng)經(jīng)歷了五十余年。通過鎖模方式的超短激光器也很快出現(xiàn)于1964年，人們將脈沖寬度提升到皮秒級，自此激光脈沖化的研究不斷推進(jìn)。80年代染料激光器的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了激光脈沖的飛秒化。直到90年代初，克爾透鏡鎖模飛秒鈦寶石激光器使得飛秒激光技術(shù)獲得了一次飛躍發(fā)展［1］。

脈寬急劇縮小，峰值功率大幅提高，使得飛秒激光在微納加工領(lǐng)域的優(yōu)勢凸顯無疑。人們也越發(fā)重視并且利用飛秒激光進(jìn)行精密微納加工。飛秒激光在與物質(zhì)的相互作用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)超高分辨率，實(shí)現(xiàn)超高的精度，從而達(dá)到納米尺度的加工和制造。當(dāng)今，飛秒激光在很多科學(xué)領(lǐng)域擁有重要的意義，具有廣泛的前景，比如可以實(shí)現(xiàn)超高密度的光存儲器，納米集成電路，高精度光柵，微機(jī)械結(jié)構(gòu)與零件。這一切都讓飛秒激光成為了應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向。

飛秒激光的微納加工在實(shí)現(xiàn)超細(xì)微加工的同時(shí)，不但擁有較小的加工熱影響區(qū)而且可以克服等離子體屏蔽的現(xiàn)象。通過控制聚焦，飛秒激光可以將能量注入到透明介質(zhì)的內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)三維制造加工，并且加工材料的種類廣泛。

2 飛秒激光微納加工類型

飛秒激光微納加工的類型可以分為激光燒蝕微加工以及雙光子聚合加工。

激光燒蝕微加工利用其本身獨(dú)特的性質(zhì)使材料瞬間蒸發(fā)，而不經(jīng)歷熔化過程，具有優(yōu)良的加工特性［2－3］。雙光子聚合加工三維微納結(jié)構(gòu)時(shí)利用飛秒激光聚焦點(diǎn)上發(fā)生的雙光子吸收效應(yīng)，獲得比衍射極限還要小的光響應(yīng)，可以在多種材料上進(jìn)行微納米尺度的加工［4－5］。

對波長特定的激光來說，材料可分為吸收材料和透明材料［6］。飛秒激光對于這些材料的作用機(jī)理都不相同。由于自由電子大量存在的緣故，金屬具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。透明材料原本不會吸收這一波段，但是由于飛秒激光可以產(chǎn)生極高的光強(qiáng)，它使材料實(shí)現(xiàn)對激光的非線性吸收。

3 飛秒激光微納加工研究現(xiàn)狀

在世界范圍內(nèi)，歐洲、美國、日本在飛秒激光微納加工領(lǐng)域仍處于領(lǐng)先地位。尤其以德國和美國為主。早在1996年，Chichkov所在的德國漢諾威激光中心實(shí)驗(yàn)室就利用不同的激光束對薄鋼片進(jìn)行燒蝕的打孔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示利用納秒、皮秒脈沖激光打孔的過程不穩(wěn)定，液化和汽化同時(shí)發(fā)生，孔的周圍有液體濺射的痕跡。飛秒脈沖加工的孔沒有熔化跡象，孔周圍只有環(huán)形蒸汽的痕跡，加工面平整。飛秒激光加工的優(yōu)勢凸顯無疑［7］。

在2003年，德國漢諾威激光中心實(shí)驗(yàn)室又進(jìn)行針對金屬板的燒蝕打孔實(shí)驗(yàn)，Chichkov小組采用150 fs的激光，在厚度為1 mm的不銹鋼板上進(jìn)行打孔，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示飛秒燒蝕加工可以得到極好的微加工質(zhì)量［8］。

德國許多科研機(jī)構(gòu)利用超短激光脈沖，在不同材料上做了很多相關(guān)的加工試驗(yàn)。比如Lumera公司針對不同材料進(jìn)行的加工實(shí)驗(yàn)，結(jié)果可以看出其優(yōu)良的加工質(zhì)量和精度，這都展現(xiàn)出飛秒激光的加工優(yōu)勢。如圖1所示。

圖1 Lumera公司分別在銀、鎢、鐵、鉬、硅以及玻璃材料上進(jìn)行的加工

美國在飛秒激光微加工領(lǐng)域的成果也很豐碩，許多研究機(jī)構(gòu)在早期就開展了相關(guān)的研究，比如密西根大學(xué)超快光學(xué)研究中心、Clark公司、哈佛大學(xué)、密蘇里科技大學(xué)等都進(jìn)行了該方面的研究。其中密西根大學(xué)超快光學(xué)科技中心最具有代表性，該科技中心的G．Mourou研究小組在20世紀(jì)90年代初期就可開展了關(guān)于飛秒激光與物質(zhì)相互作用的研究，也是早期進(jìn)行燒蝕研究的先驅(qū)［9－10］。

Qiu等人［11］在飛秒燒蝕理論上和實(shí)驗(yàn)上做出的研究的基礎(chǔ)上，美國密蘇里科技大學(xué)的Jiang L，Tsai等學(xué)者改進(jìn)了雙溫方程［12－13］。他們發(fā)現(xiàn)能量密度高的時(shí)候，雙溫方程就不再精確了，高能量密度加工時(shí)會帶來很多的誤差。于是他們量化了一些雙溫方程中的光學(xué)和熱學(xué)的參數(shù)特征，包括電子熱熔、擴(kuò)散時(shí)間、電導(dǎo)率、吸收率等，在他們的模型中引入新的參數(shù)來計(jì)算自由電子的密度、溫度，以金為靶材，準(zhǔn)確地預(yù)測了材料的燒蝕閾值和加工深度。

新加坡南洋理工大學(xué)的Venkatakrishnan等人進(jìn)行了光掩模研究中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的制造技術(shù)時(shí)間和精度不能兼顧。他們利用飛秒激光對包含有鉻和金兩種金屬薄膜的掩模母版進(jìn)行了直寫掃描加工［14－15］，直寫加工出了約600 nm 的微孔和微槽結(jié)構(gòu)。他們設(shè)計(jì)了一套專用的飛秒激光直寫加工系統(tǒng)，在不影響基底石英的前提下，可以快速高效地在光掩模上寫入復(fù)雜的形狀，這一突破將有利于微電路、電子器件的發(fā)展。

國內(nèi)在飛秒激光和物質(zhì)相互作用的研究上，主要進(jìn)行對雙溫方程的研究，從而為后續(xù)研究的開展打下理論基礎(chǔ)［16］。

正如上文所說，除了燒蝕微加工之外，飛秒激光還可以進(jìn)行雙光子聚合加工。無需掩模，高分辨率以及熱效應(yīng)小的特點(diǎn)，使其研究與應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，在高精度微結(jié)構(gòu)和微器件的制造上實(shí)現(xiàn)了大的進(jìn)展［17］。

激光在樹脂內(nèi)掃描并控制焦點(diǎn)位置，依據(jù)焦點(diǎn)的軌跡，樹脂硬化后成為三維造型。在2001年，日本大阪大學(xué)Kawata研究小組利用雙光子吸收制造出了當(dāng)時(shí)世界上最小的三維結(jié)構(gòu)。通過激光器發(fā)出的100 fs脈沖，利用光閥控制光的開啟，擴(kuò)束之后進(jìn)行二維掃描，花費(fèi)了3 h之久，制造出了長10μm，高7μm，體積和紅細(xì)胞大小差不多的納米牛，這不僅開創(chuàng)了雙光子微納加工的新篇章，還促進(jìn)了其他科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展［18］。

2005年，韓國Lim研究團(tuán)隊(duì)，利用納米復(fù)印印刷技術(shù)制造出了二維馬的造型和英格蘭的地形。利用雙光子聚合的復(fù)印技術(shù)可以不需要光掩模，直接制造出更為精確的模型［19］。如圖2所示。

圖2 SEM掃描下的納米復(fù)印的英國和馬的圖形

隨著雙光子聚合微加工技術(shù)日趨成熟，在2006年，Chichkov等人也做了類似的三維立體加工。由電腦產(chǎn)生的3D結(jié)構(gòu)，利用飛秒激光在直接記錄進(jìn)光敏材料中，制造出了微結(jié)構(gòu)恐龍和可活動的微風(fēng)車。如圖3所示。

圖3 微結(jié)構(gòu)恐龍以及風(fēng)車的電鏡掃描照片

以超短激光雙光子聚合進(jìn)行三維微加工得到了廣泛的關(guān)注，加工不僅僅局限于一些造型設(shè)計(jì)也涉及到了一些結(jié)構(gòu)組織，還可以制作三維機(jī)械零件，包括彈簧、齒輪以及光子晶體器件。

2004年，中國科技大學(xué)袁大軍等人利用雙光子聚合加工在樹脂材料上制作出了納米級的齒輪［20］。華中科技大學(xué)王新林等用飛秒激光制作的微型懸臂梁［21］。

2009年，浙江大學(xué)舉辦了一次關(guān)于飛秒激光應(yīng)用的國際研討會，會上日本北海道大學(xué)的Hiroaki Misawa教授作了題為Applications of the Laser 3D-structured Materials的邀請報(bào)告。Misawa教授的研究團(tuán)隊(duì)在近幾年關(guān)于飛秒激光與物質(zhì)相互作用方面取得了顯著的進(jìn)展，他們利用飛秒激光雙光子聚合加工出超精細(xì)結(jié)構(gòu)，精度高達(dá)30nm，并利用這些結(jié)構(gòu)組成了新的晶體結(jié)構(gòu)和造型［22］。

日本名古屋大學(xué)的Maruo教授等人，利用負(fù)性光刻膠技術(shù)，制造出了以光驅(qū)動的微型裝置，有著亞微米探測末端的可活動微機(jī)構(gòu)，可以利用激光束控制其尖端的開放和閉合，可以更精確更容易的控制其運(yùn)動［23］。如圖4所示。除此之外Maruo教授還設(shè)計(jì)了一種微探針，在激光驅(qū)動下，可以進(jìn)行移動，并且認(rèn)為在不遠(yuǎn)的將來除了制造復(fù)雜造型和零件外，飛秒激光雙光子聚合技術(shù)加工的器件可以對單個(gè)細(xì)胞和單個(gè)分子進(jìn)行操作。

圖4 前端具有針狀結(jié)構(gòu)的微鑷子

曼徹斯特大學(xué)L Li等人在研究以激光為基礎(chǔ)的納米結(jié)構(gòu)技術(shù)時(shí)，利用低于衍射極限的激光束，產(chǎn)生了大面積復(fù)雜的納微組織，得到星形以及H形的機(jī)構(gòu)，在XY方向上都是1μm，20 nm深，并且可以同時(shí)生成600萬個(gè)相同的結(jié)構(gòu)［24］。如圖5所示。

圖5 星形陣列與H形陣列的電鏡掃描照片

雙光子聚合技術(shù)產(chǎn)生的光子晶體是其重要用途之一，相比于半導(dǎo)體生長模式，要容易獲得得多。同樣這種雙光子聚合同樣也在生物工程中展現(xiàn)出了優(yōu)勢。比如在組織工程中，利用雙光子聚合技術(shù)制造出了腳手架結(jié)構(gòu)，如圖6所示，這種結(jié)構(gòu)需要結(jié)合適當(dāng)?shù)牟牧弦约熬_的控制，才能可以模仿重建細(xì)胞微環(huán)境，甚至有望能夠在體內(nèi)和活的組織融合。

圖6 腳手架結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

目前飛秒激光與材料相互作用的研究不斷深入，在材料加工中的應(yīng)用極其廣泛，而且已經(jīng)開始走向了產(chǎn)業(yè)化。但是在在一些領(lǐng)域，飛秒激光技術(shù)還不成熟，作用機(jī)理還未統(tǒng)一。但是可以肯定的是，飛秒激光超短，超強(qiáng)和高聚焦能力的特點(diǎn)使得其應(yīng)用前景廣闊，并在當(dāng)今微納加工領(lǐng)域占領(lǐng)一席之地，并且隨著工業(yè)科技的發(fā)展，飛秒激光將推動微加工、材料制備、生物學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域一同進(jìn)步。

［1］ Zhang Xingquan，Zhou Jianzhong，Wang Guanglong．Femtosecond laser and its applications in micro machinging［J］．Electroma Chining ＆ Mould，2005，(1):4 － 6．(in Chinese)

張興權(quán)，周建忠，王廣龍．飛秒激光在材料微加工中的應(yīng)用［J］．電加工與模具，2005，(1):4－6．

［2］ Varel H，Ashkenasi D，Rosenfeld A，et al．Microm-achining of quartz with ultrashort laser pulses［J］．Appl．Phys．A，1997，65:367．

［3］ Zeng DW，Li K，Yung K C，et al．UV laser micromachining of piezoelectric ceramic using a pulsed Nd∶YAG laser［J］．Appl．Phys．A，2004，78:415．

［4］ Lecomte S，Gubler U，Jager M，et al．Reversible o-ptical structuring of polymerwaveguides doped withphotochromic molecules［J］．Appl．Phys．Lett，2000，77:921．

［5］ Konorov SO，F(xiàn)edotov A B，Zheltikov A M．Three-dimensional reversible laser micromachining with subnanojoule femtosecond pulses based on two-phot-on photochromism［J］．Appl．Phys．B，2003，76:707．

［6］ JiaWei，Wang Qingyue，F(xiàn)u Xing，et al．Fe-mtosecond laser and its applications in micromachinging［J］．Chinese Journal of Quantum Electronics，2004，21(2):194 －201．(in Chinese)

賈威，王清月，傅星，等．飛秒激光在材料微加工中的應(yīng)用［J］．量子電子學(xué)報(bào)，2004，21(2):194 －201．

［7］ Momma C，Chichkov B N，Nolte S，et al．Short-pulse laser ablation of solidtargets［J］．Opt Comm，1996，129(1－2):134．

［8］ G kam lage，T bauer，A ostendorf，et al．Deep drilling of metalsby femtosecond laser pulses［J］．Appl．Phys．A，2003，77:307 －310．

［9］ Horvath C，Braun A，Liu H，et al．Compact directlydiodepumped femtosecond Nd∶glasschirped-pulse-amplification laser system［J］．Opt．Lett．，1997，22(23):1790 －1792．

［10］ PP Pronko，P A Vanrompay，C Horvath，et al．Avalanche ionization and dielectric breakdown insilicon withultrafast laser pulses ［J］．Phys．Rev．B．，1998，58(5):2387－2390．

［11］ Qiu TQ，Juhasz T，Suarez C，et al．Femtosecond laser heating of multi-layer metals-II experiments［J］．Int．J．Heat Mass Transfer，37:2799 －2808．

［12］ L Jiang，H L Tsai．Energy transport and material removal inwidebandgapmaterials by afemtosecond laser pulse［J］．Heat and Mass Transfer，2005，48(3 －4):487 －499．

［13］ L Jiang，H LTsai．Plasmamodeling for ultrashort pulse laser ablation of dielectrics［J］．J．Appl．Phys．，2006，100(2):023116－7．

［14］ Venkatakrishnan K，Bkangoi，Stanley P．Laser wri-ting techniquesfor photomask fabricationusing a femtosecond laser［J］．Appl．Phys．A，2002，74(4):493 －496．

［15］ Venkatakrishnan K，Tan B，Stanley P，et al．Femtosecond pulsed laser directwriting system［J］．Opt．Eng．，2002，41(6):1441－1445．

［16］ Shi Yunfei，Lu Lizhong，Wang Jijun，et al．Influence of temperature-dependent coupling factor on temperature field inmetal Au irradiated by ultrashort pulse laser［J］．Laser＆ Infrared，2011，41(3):252 －258．(in Chinese)

石云飛，盧立中，王紀(jì)俊，等．耦合系數(shù)對激光輻照金屬材料溫度場的影響［J］．激光與紅外，2011，41(3):252－258．

［17］ Liang Jing，Wu Zhihua，Yang Xiufeng，et al．The latest development in the field of fabricating optical instrument using femtosecond laser［J］．Laser ＆ Infrared，2007，37(6):493 －497．(in Chinese)

梁靜，吳志華，楊秀峰，等．用飛秒激光制作高精度微光學(xué)器件的研究進(jìn)展［J］．激光與紅外，2007，37(6):493－497．

［18］ Kawata S，Sun H B，TanakT，et al．Finer feature forfunctionalmicrodevices［J］．Nature，2001，412:698，698．

［19］ Deube M，et al．Direct laser writing of three-dimensional photonic-crystaltemplates for telecommunications［J］．Nature Matter，2004，3:444 －447．

［20］ Yuan Dajun，Jiang Zhongwei，Guo Rui，et al．Two-photon femtosecond laser fabrication ofmicro-system［J］．Microfabrication Technology，2004，2:27 －30．(in Chinese)

袁大軍，蔣中偉，郭銳，等．飛秒激光雙光子復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微細(xì)加工［J］．微細(xì)加工技術(shù)，2004，2:27 －30．

［21］ Wang Xinlin．Femtosecond laser ablation ofmetallicmaterials and fabrication of micro-components［D］．Wuhan:Huazhong University of Science and Technology，2006．(in Chinese)

王新林．飛秒激光燒蝕金屬材料特性與微零件制備研究［D］．武漢:華中科技大學(xué)，2006．

［22］ Qiu Jianrong．The cutting-edge of fem tosecond laserapplication［J］．Hangzhou:International Academic Development，2010，2:19 － 21．(in Chinese)

邱建榮．飛秒激光應(yīng)用前沿［J］．杭州:國際學(xué)術(shù)動態(tài)，2010，2:19 －21．

［23］ Maruo S，et al．Submicronmanipulation tool drivenby light in a liquid［J］．Applied Physics Letters，2003，82:133－135．

［24］ Li L，Guo W，Wang Z B，et al．Large area laser nano texturing with User dened patterns［J］．Journal of Micromechanics and Micro-engineering，2009，19:054002．