飛秒激光時(shí)空整形的電子動(dòng)態(tài)調(diào)控微孔加工

張 超，李 敏，葉柏臣，吳劍英，王 智，李曉煒

北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院激光微納制造研究所，北京 100081

1 引言

微孔作為一種常見結(jié)構(gòu)，在生物醫(yī)療[1]、微流體器件[2-3]、航空航天[4]、三維封裝[5-7]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于實(shí)際應(yīng)用中對于各種功能器件的性能要求越發(fā)嚴(yán)格，因此對于微孔加工的質(zhì)量以及深徑比的要求也越來越高，這使得微孔加工在制造中極具挑戰(zhàn)。而針對愈發(fā)嚴(yán)格的微孔指標(biāo)要求，選擇適合的微孔加工方式才是關(guān)鍵。目前常用的微孔加工方式有機(jī)械鉆孔[8]、電火花鉆孔[9]、電子束鉆孔[10]、聚焦離子束鉆孔[11]、激光鉆孔[12]等。機(jī)械鉆孔易操作，但難以加工小直徑、高深徑比的微孔；電火花鉆孔只適用于導(dǎo)電材料并且精細(xì)加工難度大；電子束、聚焦離子束鉆孔可以實(shí)現(xiàn)納米至亞微米精度的微孔，但條件苛刻、設(shè)備昂貴，加工效率慢。激光鉆孔具有非接觸、材料適應(yīng)性廣、加工效率高的特點(diǎn)，但連續(xù)激光、長脈沖激光加工的微孔具有一定的熱影響區(qū)。

飛秒激光是指脈沖寬度達(dá)到飛秒量級(10-15s)的脈沖激光。目前常用的商業(yè)飛秒激光器通過啁啾脈沖放大技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)焦耳量級的單脈沖能量輸出。由于飛秒激光脈沖寬度較短，經(jīng)過聚焦后其峰值功率密度最高可達(dá)1018W/cm2。因此飛秒激光具有區(qū)別于連續(xù)激光、長脈沖激光的超快、超強(qiáng)的特性[13-15]，這也使得飛秒激光具有高質(zhì)量加工能力[16-20]以及材料適應(yīng)性廣[21-23]的特性。相對于傳統(tǒng)微孔加工方式而言，飛秒激光具有以下三個(gè)顯著的優(yōu)勢：1) 熱效應(yīng)小，加工質(zhì)量高，微孔邊緣幾乎沒有重鑄層、熱影響區(qū)的缺陷[24]，如圖1 所示；2) 飛秒激光加工具有強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)[25]，材料加工范圍廣，具有更高加工分辨率，可以實(shí)現(xiàn)高精度、小尺度的微孔加工；3) 當(dāng)飛秒激光聚焦在透明介質(zhì)內(nèi)部時(shí)，只有焦點(diǎn)附近區(qū)域的材料可以實(shí)現(xiàn)改性或者材料去除，因此利用飛秒激光可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的“真”三維加工[26]。

圖1 不同脈寬激光叩擊加工鋼箔。(a)～(c) 依次為200 fs、80 ps、3.3 ns 脈寬激光加工結(jié)果[24]Fig.1 Percussion drilling on steel foil with different laser pulse durations.(a)～(c) are the processing results of 200 fs,80 ps,3.3 ns laser pulse width,respectively[24]

隨著實(shí)際應(yīng)用中對于小直徑下高深徑比微孔結(jié)構(gòu)的需求場合越來越多，而未整形高斯激光微孔加工存在小直徑與高深徑比之間的矛盾，因此其無法滿足加工要求。由于飛秒激光形狀性質(zhì)精準(zhǔn)可調(diào)，通過對飛秒激光進(jìn)行時(shí)/空整形可以改變激光光場分布，控制瞬時(shí)局部電子動(dòng)態(tài)分布，調(diào)控后續(xù)相變過程，實(shí)現(xiàn)對微孔加工過程的控制，從而實(shí)現(xiàn)小直徑下高深徑比微孔結(jié)構(gòu)的加工。國內(nèi)外學(xué)者圍繞電子動(dòng)態(tài)調(diào)控飛秒激光時(shí)域/空域整形微孔加工展開了大量研究工作，本文綜述了基于電子動(dòng)態(tài)調(diào)控的飛秒激光時(shí)域/空域整形加工方式的研究進(jìn)展及微孔應(yīng)用。

2 基于電子動(dòng)態(tài)調(diào)控的飛秒激光時(shí)空整形方法

在飛秒激光與材料相互作用過程中，電子是材料吸收光子能量的重要載體。由于飛秒激光脈寬大大短于電子-晶格弛豫時(shí)間(10-10s～10-12s)，而在飛秒脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，電子對激光能量的吸收就已經(jīng)完成，造成了電子和晶格之間的高度不平衡態(tài)。因此，光子和電子間的相互作用在整個(gè)激光-材料相互作用過程中起主導(dǎo)作用，所以必須調(diào)控局部瞬時(shí)電子狀態(tài)?；谝陨戏治觯琂iang 等[21]提出了基于電子動(dòng)態(tài)調(diào)控的超快激光加工新技術(shù)：通過飛秒激光時(shí)域/空域整形來調(diào)節(jié)激光與電子的相互作用過程，進(jìn)而調(diào)控局部瞬時(shí)電子狀態(tài)(電子密度/溫度/激發(fā)態(tài)分布等)，調(diào)控材料相變過程，從而實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量、高可控性的飛秒激光加工。

飛秒激光時(shí)域整形是指在時(shí)域上對飛秒激光的特性進(jìn)行整形。時(shí)間整形通常將單個(gè)高斯激光脈沖整形為若干個(gè)具有一定時(shí)間間隔、且強(qiáng)度比為任意的子脈沖序列。為了滿足不同的加工要求，通過時(shí)間整形可以調(diào)節(jié)子脈沖的脈沖延時(shí)、脈沖個(gè)數(shù)以及各個(gè)子脈沖之間的能量比。目前常用于實(shí)現(xiàn)飛秒激光時(shí)域整形的裝置包括兩種：一種是基于4f 系統(tǒng)的商業(yè)化時(shí)域脈沖整形器[27]，另一種是基于分束鏡幾何分光合光原理的多脈沖整形裝置[28]。商業(yè)化時(shí)域脈沖整形器包括光柵對以及聚焦透鏡對，采用4f 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零色散，將空間光調(diào)制器放在透鏡對傅里葉面處來實(shí)現(xiàn)對不同波長的組分加載合適的振幅和相位，其原理如圖2(a)所示[27]。該方法靈活性高，子脈沖之間高度重合。北京理工大學(xué)Du 等[29]利用飛秒激光脈沖整形器來補(bǔ)償未整形脈沖在傳輸過程中產(chǎn)生的畸變或色散展寬，將普通高斯脈沖分別整形成子脈沖強(qiáng)度比為4∶ 3∶ 2∶ 1 的遞減脈沖序列、子脈沖強(qiáng)度比為1∶1∶ 1∶ 1 的平脈沖序列以及子脈沖強(qiáng)度比為1∶ 2∶ 3∶ 4 的遞增脈沖序列，驗(yàn)證可以通過對普通高斯激光進(jìn)行時(shí)間整形來調(diào)控光子能量在熔融石英中的能量沉積。基于分束鏡幾何分光合光原理的多脈沖整形裝置通過改變每個(gè)分束鏡的分光比以及每條光路的光程，可以實(shí)現(xiàn)任意脈沖延時(shí)以及任意脈沖能量比的脈沖序列。最常見的基于幾何分光合光的方法是邁克爾遜式雙脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)[28]，其原理如圖2(b)所示。北京理工大學(xué)Liu 等[28]利用正交偏振飛秒激光雙脈沖序列單點(diǎn)輻照在硅表面激光誘導(dǎo)周期性表面納米同心環(huán)結(jié)構(gòu)。利用基于雙折射晶體也可以產(chǎn)生脈沖序列[30]。該方法入射激光為與光軸成特定角度的線偏振光，利用雙折射晶體的特性，在不同方向上折射率不同，產(chǎn)生固定的光程差，從而產(chǎn)生脈沖序列。此外，北京理工大學(xué)Jiang 等[31]提出了一種新型的基于膜系設(shè)計(jì)的時(shí)域整形裝置(Thin-film pulse train generator,TF-PTG)，該裝置示意圖如圖2(c)所示。入射激光垂直入射到(TF-PTG)上，當(dāng)激光經(jīng)過分束膜時(shí)，部分激光透過，部分激光反射，脈沖之間的延時(shí)由薄膜之間的空隙寬度決定。該方法裝置簡單，可形成延時(shí)精準(zhǔn)可控的脈沖序列。

圖2 時(shí)域整形光路示意圖。(a) 基于傅里葉光學(xué)的空間光調(diào)制法[27]；(b) 邁克爾遜式雙脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)[28]；(c) 基于膜系設(shè)計(jì)的時(shí)域整形裝置[31]Fig.2 Schematic diagram of the experimental optical paths for temporally shaping.(a) Spatial light modulation method based on Fourier optics[27];(b) Michelson double pulse generation system[28];(c) Temporally shaping device based on the thin-films system[31]

空間整形是指從空間上改變?nèi)肷浼す獾恼穹蛘呦辔?。常見的方法有空間光調(diào)制器法、狹縫法、錐透鏡法?？臻g光調(diào)制器(SLM) 可以在隨時(shí)間變化的電信號的驅(qū)動(dòng)下，加載任意相位圖實(shí)現(xiàn)光場振幅以及相位的靈活可調(diào)。Wang 等[32]提出了一種基于交錯(cuò)模式的微納圖案加工方法，利用空間光調(diào)制器大幅提高了飛秒激光直寫的效率，加工光路示意圖如圖3(a)所示。Li 等[33]利用狹縫法對入射激光進(jìn)行空間整形進(jìn)而加工橢圓微孔，作為后續(xù)雙通道偏振復(fù)用太赫茲超表面的單元結(jié)構(gòu)，在加工中實(shí)現(xiàn)了對其尺寸、形狀以及朝向靈活控制，飛秒激光狹縫空域整形加工光路示意圖如圖3(b)所示。此外，錐透鏡是一種具有圓對稱性質(zhì)的錐形光學(xué)元件，高斯激光經(jīng)錐透鏡整形后會產(chǎn)生近似零階貝塞爾光束。Zhao 等[34]利用錐透鏡將高斯激光整形為超高深徑比的貝塞爾光束在PMMA 上加工高深徑比微孔，利用錐透鏡將高斯激光整形為貝塞爾光束示意圖如圖3(c)所示。利用錐透鏡產(chǎn)生貝塞爾光束裝置簡單，能量利用效率高，因此得到廣泛應(yīng)用。除了利用空間光調(diào)制器和錐透鏡產(chǎn)生貝塞爾光束之外，常用的方法還有環(huán)縫-透鏡法[35]、諧振腔法[36]、球面像差法[37]、可調(diào)聲梯度透鏡法等[38]。

圖3 空間整形光路示意圖。(a) 基于空間光調(diào)制器的飛秒激光空域整形光路示意圖[32]；(b) 飛秒激光狹縫空域整形的光路示意圖[33]；(c) 利用錐透鏡將高斯激光整形為貝塞爾光束示意圖[34]Fig.3 Schematic diagram of the experimental optical paths for spatially shaping.(a) Schematic illustration of spatial shaping using spatial light modulator (SLM) [32];(b) Schematic illustration of spatial shaping using slit[33];(c) Schematic illustration of generating Bessel beam from Gaussian beam by using axicon[34]

3 飛秒激光時(shí)空整形微孔加工方法

3.1 飛秒激光時(shí)域整形微孔加工

傳統(tǒng)飛秒激光加工時(shí)通過非線性電離會產(chǎn)生大量自由電子，當(dāng)自由電子密度超過臨界電子密度時(shí)，激光輻照區(qū)域反射率會升高，影響后續(xù)脈沖的能量沉積。由于飛秒激光脈寬短于大多數(shù)材料的電子-晶格弛豫時(shí)間，因此可以通過對高斯激光進(jìn)行時(shí)域整形，從而對材料的自由電子密度進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而影響材料相變過程，提高飛秒激光微孔加工質(zhì)量以及加工精度。

2002 年，Stoian 等[39]研究了三脈沖序列對于在熔融石英上加工微孔的影響，加工結(jié)果如圖4(a)所示。相對于未整形脈沖，采用三脈沖加工時(shí)，前序脈沖會使得材料軟化，有助于后續(xù)脈沖能量沉積。另外，整形后飛秒激光加工微孔過程中產(chǎn)生應(yīng)力較小，有助于減少微孔側(cè)壁微裂紋的生成。2012 年，Jiang 等[40]研究了雙脈沖對于在K9 玻璃上背表面加工高深徑比微孔的影響。加工過程中采用動(dòng)態(tài)聚焦的方式，即保持激光聚焦位置不變，通過控制平移臺運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)樣品空間位置變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)激光對于樣品的動(dòng)態(tài)聚焦加工。單位時(shí)間內(nèi)焦點(diǎn)位置材料去除量越大，燒蝕效率越高，則可采用的加工速度越快，因此材料去除量對于加工效率具有重要影響。當(dāng)采用時(shí)域整形飛秒激光加工時(shí)，可以提高材料燒蝕效率，進(jìn)而提高加工效率以及加工深度。相比于未整形飛秒激光加工結(jié)果而言，整形后雙脈沖飛秒激光微孔加工深度提高3 倍，材料去除量提高56 倍，如圖4(b) 所示。2014 年，Jiang 等[41]研究了雙脈沖對于在PMMA 上加工微孔的影響。使用雙脈沖加工時(shí)，由于子脈沖能量較小，從底部生成的等離子體較少，會降低對后續(xù)脈沖的反射，提高能量沉積效率以及減小孔側(cè)壁熱影響區(qū)。使用雙脈沖加工，孔深可達(dá)890 μm，深徑比可達(dá)91∶1，相較于單脈沖加工分別增長了1.61 倍和3.45 倍。2016 年，Gotte 等[42]研究了非對稱艾里光束對于在熔融石英上加工微孔的影響。作者將脈寬30 fs 的飛秒激光整形為等效脈寬約為1.5 ps 的非對稱時(shí)域艾里脈沖，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4(c)所示。時(shí)域艾里脈沖的峰值強(qiáng)度遠(yuǎn)低于產(chǎn)生臨界電子密度所需的強(qiáng)度，因此激光能量可以深入到材料內(nèi)部，采用非對稱艾里脈沖在熔融石英上加工微孔，深徑比可達(dá)30∶1。2021 年，Hoyo 等[43]利用時(shí)域整形雙脈沖提高貝塞爾光束在玻璃中的納米通道形成效率，在Schott D263 玻璃中最小微孔直徑可達(dá)約100 nm，接近波長的1/8。

圖4 飛秒激光時(shí)域整形微孔加工。(a) 未整形脈沖與不同脈沖間隔三脈沖在熔融石英上加工的微孔[39]；(b) 動(dòng)態(tài)聚焦條件下，未整形脈沖(上)與雙脈沖(下)在K9 玻璃背表面加工的微孔[40]；(c) 飛秒激光非對稱時(shí)域艾里光束實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[42]；(d) 未整形脈沖(上)與雙脈沖(下)輻照熔融石英輔助化學(xué)刻蝕加工的微孔[27]；(e) 未整形脈沖與遞減脈沖序列輻照熔融石英輔助化學(xué)刻蝕所形成的微坑形貌[29]；(f) 雙脈沖貝塞爾光束(下)與單脈沖貝塞爾光束(上)輻照熔融石英輔助化學(xué)刻蝕加工后微孔形貌對比[44]Fig.4 Microholes drilling by temporally shaping femtosecond laser.(a) Microholes drilled by unshaped pulse and triple-pulses with different intervals in fused silica[39];(b) Microholes drilled from back surface of K9 glass by unshaped pulse (up) and double pulse (down) under dynamic focusing condition[40];(c) Experiment setup for generating asymmetrically temporal Airy pulses[42];(d) Microholes morphology on fused silica formed by laser irradiation of unshaped pulse (up)and double-pulse (down) followed by chemical etching[27];(e) Crater morphology on fused silica formed by laser irradiation of unshaped pulse and decreasing pulse-trains followed by chemical etching[29];(f) Microholes morphology on fused silica formed by laser irradiation of single pulse (up) and double pulse (down) Bessel beam followed by chemical etching[44]

通過時(shí)域整形飛秒激光加工輔助化學(xué)刻蝕的方法能夠明顯提高微孔的深徑比。2013 年，Liu 等[27]采用了飛秒激光雙脈沖輻照熔融石英輔助氫氟酸刻蝕的微孔加工方式，微孔深度可達(dá)600 μm，較傳統(tǒng)飛秒激光刻蝕結(jié)果提高10 倍，加工結(jié)果如圖4(d)所示。作者將其歸因于增強(qiáng)了輻照區(qū)域的改性程度以及改性均勻性。2018 年，Du 等[29]利用飛秒激光遞減脈沖序列輻照熔融石英，后將樣品放入氫氟酸中刻蝕，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在較高能量密度下被飛秒激光時(shí)域整形脈沖序列輻照的刻蝕坑的體積及深度都大于相同條件下被未整形脈沖加工的結(jié)果，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4(e)所示。這是由于時(shí)域整形飛秒激光會影響熔融石英的電離過程，影響光子能量在熔融石英中的沉積效率。2018 年，Wang 等[44]利用雙脈沖貝塞爾光束輔助化學(xué)刻蝕的方法在熔融石英上加工微孔。雙脈沖在加工過程中會調(diào)控材料局部電子動(dòng)態(tài)，進(jìn)而引起改性區(qū)域結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化。當(dāng)采用雙脈沖貝塞爾輻照熔融石英時(shí)，前序脈沖會在材料中激發(fā)大量自由電子，一部分自由電子會散射成自陷激子。由于自陷激子相比于自由電子更容易被后續(xù)脈沖激發(fā)，因此可以通過合理調(diào)整子脈沖延時(shí)實(shí)現(xiàn)后續(xù)脈沖的能量沉積，增加刻蝕效率以及刻蝕深度。利用雙脈沖貝塞爾與單脈沖貝塞爾輻照熔融石英輔助化學(xué)刻蝕加工后微孔形貌對比結(jié)果如圖4(f)所示。文中當(dāng)脈沖延時(shí)為10 ps 時(shí)，刻蝕深度接近最大值，約400 μm，較單脈沖貝塞爾光束加工結(jié)果提升近10 倍。

3.2 飛秒激光空域整形微孔加工

飛秒激光空域整形也是目前飛秒激光高深徑比微孔的重要加工方法之一。由于未整形高斯激光加工微孔深徑比較小，無法滿足實(shí)際應(yīng)用中對于小直徑高深徑比微孔加工的需求，將高斯激光通過空間整形方式生成高長徑比無衍射光束的方式應(yīng)運(yùn)而生。目前，最常用的無衍射光束是貝塞爾光束。理想的貝塞爾光束能量無限大，考慮到現(xiàn)實(shí)中不存在無限的能量，因此后文提及的貝塞爾光束均為有限能量下的近似無衍射光束。與高斯激光聚焦后的光斑相比，貝塞爾光束具有超長的聚焦深度，均勻的軸向能量分布，因此貝塞爾光束在透明材料上加工高深徑比微孔具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

2009 年，Courvoisier 等[45]利用空間光調(diào)制器產(chǎn)生無衍射貝塞爾光束，經(jīng)過望遠(yuǎn)系統(tǒng)聚焦后，最終在康寧玻璃上表面加工出一系列微坑結(jié)構(gòu)。2010 年，Bhuyan[46]等采用同樣的參數(shù)，只是將聚焦位置改為樣品下表面，此時(shí)加工深度顯著提升，可以在玻璃薄片上利用單個(gè)貝塞爾光束實(shí)現(xiàn)直徑 400 nm，深度43 μm 的高深徑比納米微孔加工，極大地提高了微孔加工效率，加工結(jié)果如圖5(a)所示。文中表明后表面有出口是在玻璃上使用飛秒激光貝塞爾光束加工高深徑比微孔的必要條件。

圖5 飛秒激光空域整形微孔加工。(a) 單脈沖貝塞爾光束在玻璃薄片上加工的微孔[46]；(b) 激光脈寬對于貝塞爾光束在玻璃上加工微孔的影響[47]；(c)貝塞爾光束(左)及高斯激光(右)在PMMA 上加工微孔[48]；(d)貝塞爾光束(左)及高斯激光(右)加工時(shí)材料內(nèi)部沖擊波演化[50]；(e) 利用空間光調(diào)制器通過改變相位實(shí)現(xiàn)焦深長度靈活可調(diào)的類貝塞爾光束加工結(jié)果[51]Fig.5 Microholes drilling by spatially femtosecond laser.(a) Microholes drilled by single pulse Bessel beam in thin glass[46];(b) The effect of laser pulse duration on microhole drilling in glass by Bessel beam[47];(c) Microholes drilled with single pulse Bessel beam (left) and Gaussian beam (right) in PMMA[48];(d) The shockwave evolution inside material with Bessel (left) and Gaussian (right) laser beam drilling[50];(e) The fabrication results of Bessel-like beams with flexibly adjustable focal depth realized by changing the phase with SLM[51]

盡管Bhuyan 等人可以獲得深徑比高達(dá)100 的納米微孔，但此時(shí)微孔深度不足50 μm。2014 年，Bhuyan等[47]研究了脈寬對于微孔加工的影響，通過調(diào)節(jié)脈寬從60 fs 到5.2 ps 變化，發(fā)現(xiàn)激光輻照區(qū)域內(nèi)材料折射率由正折射率變化向負(fù)折射率變化，不同脈寬加工結(jié)果如圖5(b)所示。通過仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)展寬激光脈寬時(shí)，皮秒尺度的貝塞爾光束更有利于激光脈沖能量的沉積，在此基礎(chǔ)上加工了深徑比超過1000 的納米微孔。2014 年，Zhao 等[48]通過優(yōu)化貝塞爾光束脈沖能量以及貝塞爾光束相對于材料的位置，利用單個(gè)貝塞爾脈沖在PMMA 上加工出深徑比高達(dá)460∶1 的微孔，加工結(jié)果如圖5(c)所示。2017 年，He 等[49]將特定設(shè)計(jì)的二元相位板放置在錐透鏡前方，利用截?cái)嗟呢惾麪柟馐诠枭霞庸こ隽藷o旁瓣的微孔，但該種方式犧牲了貝塞爾光束的無衍射長度，從原來的12.4 mm 縮短為280 μm。同年，Wang 等[50]利用泵浦探測技術(shù)，研究了高深徑比微孔形成的關(guān)鍵因素是貝塞爾光束作用在材料時(shí)材料內(nèi)部圓柱形沖擊波的產(chǎn)生及其壓縮機(jī)制，如圖5(d)所示。2018 年，Yao 等[51]通過空間光調(diào)制器優(yōu)化設(shè)計(jì)相位分布，可實(shí)現(xiàn)激光光場長度、直徑的精確控制，加工結(jié)果如圖5(e)所示。同時(shí)，通過改變激光光場分布，可有效抑制旁瓣，提高加工質(zhì)量。利用這種方式產(chǎn)生的貝塞爾光束可在PMMA上加工出深徑比高達(dá)560∶1 的微孔。2021 年，Wang等[52]利用不同錐底角錐透鏡將高斯激光整形為不同無衍射長度的貝塞爾光束，來研究不同光束特性對于微孔深徑比的影響。

除了通過飛秒激光貝塞爾光束直寫加工微孔外，通過激光改性輔助化學(xué)刻蝕的辦法也可以加工高深徑比微孔。2015 年，Yashunin 等[53]將飛秒激光入射到25°錐底角的錐透鏡中，在不加望遠(yuǎn)系統(tǒng)的情況下，利用單脈沖對玻璃進(jìn)行加工，隨后將改性結(jié)構(gòu)浸泡在氫氧化鉀溶液中刻蝕，最終在熔融石英上得到了深度超過15 mm，深徑比高達(dá)250∶1 的微孔。

4 飛秒激光微孔加工方法的應(yīng)用

隨著微孔加工技術(shù)的發(fā)展，微孔的應(yīng)用也越來越廣泛。如在增透減反、硬脆材料切割以及油水分離、霧氣收集、氣體收集等方面。

4.1 飛秒激光微孔加工在增透減反方面的應(yīng)用

為提高探測精度，紅外光電成像設(shè)備中的光學(xué)窗口需要在紅外波段有高透過率。而傳統(tǒng)的紅外波段材料的折射率都比較高，根據(jù)菲涅爾方程，大折射率將導(dǎo)致空氣/材料界面的反射率相對較高，因此大多數(shù)紅外波段材料表面的透光效率在許多應(yīng)用中并不足夠高。而傳統(tǒng)的方式是利用增透保護(hù)膜實(shí)現(xiàn)紅外波段增透[54-55]，但該方式存在表面劃傷、熱失配、化學(xué)腐蝕等的問題。

通過在材料表面加工出亞波長微孔陣列，合理設(shè)計(jì)微孔周期，可以在特定波段實(shí)現(xiàn)增透效果。2017 年，Tarabrin 等[56]利用飛秒激光單脈沖直接燒蝕加工微孔陣列的方法在ZnSe 上實(shí)現(xiàn)4 μm～10 μm 波段透過率高于95%。同年，Li 等[57]首次利用飛秒激光燒蝕輔助濕法刻蝕的方法在藍(lán)寶石上加工微孔陣列實(shí)現(xiàn)在3 μm～5 μm 波段透過率超過90%，加工的不同形貌微孔陣列如圖6(a)所示。2019 年，Bushunov 等[58]利用單脈沖直接燒蝕的方法在CdSSe 上實(shí)現(xiàn)了2.5 μm～10 μm 波段的平均透過率達(dá)到97%，周期性微孔陣列上表面及截面SEM 圖如圖6(b) 所示。2020年，Zhang等[59]利用FDTD 方法設(shè)計(jì)并優(yōu)化了ZnS 上的各種凹面陣列以獲得高透射率，證明了錐形陣列是理想的遠(yuǎn)紅外增透陣列，周期為3 μm 的不同形貌抗反結(jié)構(gòu)的模擬透過率如圖6(c)所示。2021 年，Li 等[60]利用將高斯激光整形為貝塞爾光束在ZnS 上實(shí)現(xiàn)6 μm～10 μm波段增透效果。

圖6 飛秒激光加工亞波長微孔陣列在增透減反方面的應(yīng)用。(a) 藍(lán)寶石上加工的不同形貌的亞波長周期性結(jié)構(gòu)[57]；(b) CdSSe 上周期性微孔陣列上表面及截面SEM 圖[58]；(c) 周期為3 μm 的不同形貌抗反結(jié)構(gòu)的模擬透過率[59]Fig.6 Application of femtosecond laser drilling sub-wavelength microhole arrays in transmittance enhancement and anti-reflection.(a) Sub-wavelength periodic structures of different morphologies fabricated on sapphire[57];(b) SEM of upper surface and section of periodic microhole arrays on CdSSe[58];(c) The simulated transmittance of anti-reflection structures with different morphology structures of 3 μm period[59]

4.2 飛秒激光微孔加工在切割方面的應(yīng)用

目前常用的切割方式有金剛石切割[61]、高斯激光全燒蝕切割[62-63]、高斯激光劃槽輔助外力切割[64]、激光加工輔助化學(xué)刻蝕切割[65]以及激光加工微孔陣列切割等[66-70]。對于金剛石切割而言，接觸式切割方式導(dǎo)致樣品表面會有較多碎屑生成，并且會產(chǎn)生切割缺陷，需要進(jìn)行后處理。對于高斯激光全燒蝕而言，需要在整個(gè)樣品厚度上對樣品進(jìn)行燒蝕，加工效率低，表面質(zhì)量差。高斯激光劃槽輔助外力切割可實(shí)現(xiàn)激光未作用區(qū)域像鏡面一樣光滑，但無法加工復(fù)雜輪廓以及內(nèi)部圖案。激光加工輔助化學(xué)刻蝕切割可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜外部輪廓以及內(nèi)部圖案加工，但加工效率較低。

激光加工微孔陣列可實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定的切割。2008 年，Ahmed 等[66]利用飛秒激光誘導(dǎo)單脈沖周期微孔陣列切割700 μm 厚的Corning Eagle 2000 玻璃。文中發(fā)現(xiàn)在樣品后表面加工一排微孔陣列的基礎(chǔ)上，再在樣品中部區(qū)域加工一排微孔陣列，可實(shí)現(xiàn)更高平整度的樣品切割，加工結(jié)果如圖7(a)所示。2017 年，Mishchik 等[67]通過將單個(gè)激光脈沖能量重新分布到多個(gè)25 ns 時(shí)間延遲的子脈沖中增強(qiáng)材料中的能量沉積用于切割。文中通過這種方式在D263T 玻璃中上加工出貫穿樣品的上/下裂紋，通過合理設(shè)置微孔間距，實(shí)現(xiàn)切割面樣品粗糙度達(dá)到200 nm 的切割效果，并且裂片時(shí)不需要額外機(jī)械力，加工結(jié)果如圖7(b)所示。2017 年，Rapp 等[68]在藍(lán)寶石晶體上進(jìn)行了變脈寬切割藍(lán)寶石實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，與非晶態(tài)玻璃不同，在切割藍(lán)寶石時(shí)只有當(dāng)脈寬小于650 fs 時(shí)才會在藍(lán)寶石表面形成單一方向的裂紋，并且裂紋方向與激光偏振方向無關(guān)，總沿著藍(lán)寶石某個(gè)晶軸方向，加工結(jié)果如圖7(c)所示。2020 年，Shin 等[69]利用飛秒激光貝塞爾光束切割超薄玻璃，重點(diǎn)研究了樣品的可分離性以及邊緣強(qiáng)度。在最佳條件下，切割獲得前后邊緣強(qiáng)度分別為370 MPa 和400 MPa。2020 年，Li 等[70]采用大角度錐透鏡生成高能量密度貝塞爾光束，在不經(jīng)過望遠(yuǎn)系統(tǒng)的情況下，對藍(lán)寶石進(jìn)行切割，獲得200 nm Ra 表面粗糙度的藍(lán)寶石切割面，加工結(jié)果如圖7(d)所示。文中指出，貝塞爾光束的均勻性和適當(dāng)?shù)拿}沖間距是實(shí)現(xiàn)低表面粗糙度的關(guān)鍵因素。

圖7 飛秒激光微孔加工在切割方面的應(yīng)用。(a) 雙層微孔陣列切割700 μm 厚Corning Eagle 2000 玻璃[66]；(b) 飛秒激光脈沖序列切割D263T 玻璃結(jié)果[67]；(c) 不同脈寬貝塞爾光束在藍(lán)寶石上形成裂紋情況[68]；(d) 利用大角度錐透鏡實(shí)現(xiàn)低表面粗糙度切割結(jié)果[70]Fig.7 Application of femtosecond laser microhole drilling in material cutting.(a) Cutting 700 μm thick Corning Eagle 2000 glass by double-layer microhole arrays[66];(b) The cutting results of D263T glass by femtosecond laser pulse-trains[67];(c) The crack on sapphire formed by Bessel beam with different pulse durations[66];(d) The low surface roughness cutting results realized by the axicon with large angle[70]

4.3 飛秒激光微孔加工在Janus 膜方面的應(yīng)用

飛秒激光微孔加工技術(shù)也被應(yīng)用到油水分離、霧氣收集、氣體運(yùn)輸?shù)确矫妗?017 年，Zhang 等[71]利用飛秒激光在35 μm 厚鋁膜上加工錐形微孔陣列，經(jīng)過氟化處理后鋁膜兩面呈現(xiàn)出超疏水特性，后對材料下表面進(jìn)行激光處理，使材料呈現(xiàn)出不同的潤濕特性(一面親水/疏油，另一面疏水/親油)，將其與玻璃容器組裝到一起可用于油水分離，如圖8(a)所示。2017年，Ren 等[72]利用飛秒激光鉆孔以及低表面能改性技術(shù)在鋁膜上加工出Janus 膜，在梯度表面能的潤濕驅(qū)動(dòng)力和圓錐形態(tài)微孔的拉普拉斯壓力共同作用下液滴可以自動(dòng)通過錐形微孔，與超親水膜相比，Janus 膜的霧氣收集效率提高了209%。2019 年，Chen 等[73]利用飛秒激光在PDMS 表面加工微孔陣列，由于高斯激光加工特性使得PDMS 上下表面形貌不同，這種形態(tài)差異使得兩側(cè)具有不同的粗糙度和潤濕性，可使水下氣泡在浮力與反浮力方向均實(shí)現(xiàn)由超親氣側(cè)到親氣側(cè)的單向自運(yùn)輸。2019 年，Hu 等[74]采用激光消融和納米粒子沉積的方式實(shí)現(xiàn)水下氣泡單向運(yùn)輸。首先，通過激光單點(diǎn)打孔的方式燒蝕PTFE 薄膜，同時(shí)誘導(dǎo)二氧化硅納米顆粒沉積在PTFE 的下表面。隨后，采用激光擴(kuò)孔的方式增大微孔直徑，與微/納米孔[75]相比，中尺度孔陣列可以增強(qiáng)水下氣泡的通量。最終，對下表面粗糙化處理實(shí)現(xiàn)水下超親氣，如圖8(b)所示。2021 年，Su 等[76]在鋁膜表面加工了一種多級的、表面凹凸不平的Janus 膜。除了傳統(tǒng)Janus 膜采用的激光加工微孔陣列以及低表面能處理技術(shù)，文中還通過激光處理使得微孔入口周圍圓形區(qū)域以及微孔出口側(cè)方形區(qū)域呈現(xiàn)親水特性，后利用玻璃球壓印的方式在鋁膜上得到凹凸不平的結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)Janus 膜相比，其集水效率提高了250% 以上，如圖8(c) 所示。目前Janus 系統(tǒng)的制造工藝簡單高效，有望為氣泡收集、氣/液分離等應(yīng)用領(lǐng)域提供新的思路。

圖8 飛秒激光微孔加工技術(shù)也被應(yīng)用到油水分離、霧氣收集、氣體運(yùn)輸?shù)确矫妗?a) 兩面具有不同潤濕特性的用于油水分離的Janus 膜的加工過程圖[71]；(b) 激光消融和納米粒子沉積的方式實(shí)現(xiàn)水下氣泡單向運(yùn)輸?shù)募庸み^程圖[74]；(c) 多級的、表面凹凸不平的用于霧氣收集的Janus 膜加工過程圖[76]Fig.8 Femtosecond laser microhole drilling technology has also been applied to oil and water separation,fog collection,gas transportation.(a) The schematic illustration of fabricating Janus membrane with different wetting properties on both sides for oil-water separation[71];(b) The schematic of the femtosecond laser ablation and nanoparticle deposition,which realizing unidirectional transportation of underwater bubbles[74];(c) The schematic illustration of the fabrication process of the hierarchical hydrophilic/hydrophobic/bumpy Janus (HHHBJ) membrane used to fog collection[76]

5 結(jié)束語

微孔作為一種常見結(jié)構(gòu)，在許多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，如何加工高深徑比微孔一直以來都是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。飛秒激光在高質(zhì)量、高深徑比微孔加工方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。飛秒激光超快的特性，使得飛秒激光微孔加工具有極小化重鑄層、熱影響區(qū)的特性。而飛秒激光超強(qiáng)的特性，使其能夠加工任意固體材料。此外，飛秒激光的強(qiáng)閾值效應(yīng)以及多光子吸收，使其能夠?qū)崿F(xiàn)超衍射極限，加工出小直徑微孔。

在不同材料上加工高質(zhì)量、高深徑比微孔過程中，需要綜合考慮激光波長、激光脈寬以及整形方式。激光波長影響材料的多光子吸收過程以及激光是否可以深入材料內(nèi)部。激光脈寬過長時(shí)，熱效應(yīng)較強(qiáng)會產(chǎn)生重鑄層、熱影響區(qū)，影響微孔入口質(zhì)量；脈寬過短時(shí)，飛秒激光非線性效應(yīng)較強(qiáng)，影響激光在材料中能量沉積。針對于整形方式而言，貝塞爾光束并不適用于非透明材料高深徑比微孔加工，因此通常對于非透明材料高深徑比微孔加工會選擇時(shí)域整形方式。因此，針對不同加工需求，選擇合適的微孔加工方式是至關(guān)重要的。

此外，目前飛秒激光微孔加工還存在一定局限性。在加工方法上，在時(shí)域整形微孔加工方面，目前研究最多的為雙脈沖加工微孔過程中時(shí)間延時(shí)的影響，可進(jìn)一步研究子脈沖個(gè)數(shù)、子脈沖能量比、子脈沖偏振方向等因素對于微孔加工的影響，進(jìn)一步提高對電子動(dòng)態(tài)的調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)對微孔形貌的更精確可控；在空域整形微孔加工方面，目前空域整形微孔加工主要集中為利用貝塞爾光束加工高深徑比微孔，整形方式較為單一，無法實(shí)現(xiàn)更加靈活多變的微孔形貌制備，因此需要更多光場整形微孔加工方式的出現(xiàn)。此外，目前空域整形微孔加工主要針對標(biāo)量光場整形，由于矢量光場空間偏振分布的非一致性，基于矢量光場整形可產(chǎn)生許多標(biāo)量光場整形下無法產(chǎn)生的特殊光束，實(shí)現(xiàn)超衍射極限微孔加工。在加工效率方面，可將利用衍射光學(xué)元件(DOE)和空間光調(diào)制器(SLM)進(jìn)行光場調(diào)制與時(shí)空整形微孔加工方式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多光束并行加工提高加工效率。此外，也可以利用振鏡掃描系統(tǒng)與時(shí)空整形微孔加工方式相結(jié)合，提高微孔大面積加工效率。隨著激光整形技術(shù)的不斷發(fā)展以及飛秒激光加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，飛秒激光微孔加工的應(yīng)用前景將更加明朗。