綜述了飛秒
激光微加工技術(shù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，介紹了飛秒激光微加工在
光學、微電子及生物醫(yī)學等領(lǐng)域的應用，展望了飛秒激光微加工技術(shù)未來發(fā)展的趨勢以及需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。 超短、超強和高聚焦能力是飛秒激光的3大特點。 飛秒激光脈寬可短至4 fs(1 fs=10-15 s)以內(nèi)…，峰值 功率高達拍瓦量級(1 Pw=1015w)聚焦功率密度達到1020-1022 W／cm2。飛秒激光可以將其能量全部、快速、準確地集中在限定的作用區(qū)域，實現(xiàn)對玻璃、陶瓷、
半導體、塑料、聚合物、樹脂等材料的微納尺寸加工，具有其它
激光加工無法比擬的優(yōu)勢：①耗能低，無熱熔區(qū)，"冷"加工；②可加工的材料廣泛：從金屬到非金屬再到生物細胞組織，甚至是細胞內(nèi)的線粒體；③高精度、高質(zhì)量、高分辨率，加工區(qū)域可小于焦斑尺寸，突破衍射極限；④對環(huán)境沒有特殊要求，無污染。飛秒激光微加工是當今世界激光、光電行業(yè)中極為引人注目的前沿研究方向。世界各國學者在飛秒激光與材料相互作用機理研究方面已取得重大的進展，開發(fā)出以鈦寶石
激光器為主的飛秒激光微加工系統(tǒng)，開展了飛秒激光微納加工的工藝研究，促進了多學科的融合，推動著飛秒激光微納加工技術(shù)向著低成本、高可靠性、多用途、產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展。飛秒激光微加工技術(shù)將在超高速光通訊、強場科學、納米科學、生物醫(yī)學等領(lǐng)域具有廣泛的應用和潛在的市場前景。本文旨在綜述飛秒激光微加工技術(shù)國內(nèi)外的研究狀況，介紹飛秒激光微加工的重要應用，展望其今后的發(fā)展趨勢。
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_ /9,y+"0SQz 1 國內(nèi)外飛秒激光微加工技術(shù)研究狀況
a'g&1N0Rc T 0qM " 1．1飛秒激光微加工基礎理論的研究
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^ 2%| n}V[ 飛秒激光加工機理的研究、試驗大多是探索陛的，多與長脈沖情形相比較而確定飛秒激光的燒蝕特性，在一定程度上解釋了飛秒激光與物質(zhì)相互作用的物理本質(zhì)。目前理論研究較系統(tǒng)的材料有金屬和透明介質(zhì)。
.7M.bpmqE T*g}^TEh (1)金屬前蘇聯(lián)Anisimov SI等人于1975年第一次提出了超短脈沖燒蝕金屬材料的雙溫模型。該模型從一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導方程出發(fā)，考慮到超短脈沖作用時，存在光子與電子、電子與晶格兩種不同的相互作用過程，列出了電子與晶格的溫度變化微分方程，即雙溫方程。一些學者以該模型為基礎，在不同的激光脈寬下對雙溫方程進行約化，求得解析解"-。發(fā)現(xiàn)當激光脈寬遠遠小于晶格的受熱時間時，燒蝕時間不依賴于激光脈寬。試驗得到的金屬銅材料的燒蝕速率與雙溫模型基本一致。1999 年，F(xiàn)alkovsky L A和Mishchenko E G基于玻爾茲曼方程和費米狄拉克配分函數(shù)提出熱電子爆炸模型來描述金屬材料中的超快形變。2002年，chen J K等人綜合雙溫模型及電子爆炸模型，假定單軸應變?nèi)S高壓條件，提出了一系列相關(guān)聯(lián)的瞬時熱彈性變形方程。數(shù)值結(jié)果表明，超短激光脈沖燒蝕過程中，非熔融態(tài)損傷占支配地位，這種非熔融態(tài)損傷的主要動力來源于熱電子爆炸力。
0 +k..l /A+5q\8G (2)透明介質(zhì) 1990年，Hand D P和RusseU P St J根據(jù)K-K(Kmmers-Kronig)因果關(guān)系提出了色心模型，該模型的前提是假設光敏效應產(chǎn)生于缺陷處局域電子的激發(fā)。在一定范圍內(nèi)解釋了折射率變化的原因。但RusseU、Williams等人分別通過吸收光譜測量及進行K．K變換發(fā)現(xiàn)得到的折射率變化與實驗結(jié)果有兩個數(shù)量級的差異。隨后有學者提出了偶極模型、壓力模型、應力壓縮模型等。1997年，哈佛大學Maur E領(lǐng)導的小組研究了飛秒激光在熔融SiO2、BK7光學玻璃等透明材料內(nèi)部產(chǎn)生的微爆炸現(xiàn)象。除化學氣相沉積金剛石外，均導致了直徑為亞微米的立體像素，通過分析表明：飛秒激光在透明介質(zhì)中引發(fā)的強烈自聚焦效應使激光焦斑尺寸小于衍射極限，微爆炸形成一個微腔，腔周圍是高密度材料。2002年，德國 Henyk M等人分析了飛秒激光燒蝕藍寶石，表明燒蝕的基本過程是由于表面爆炸即庫侖爆炸所引起的。另外，該小組還研究了飛秒激光燒蝕NaCl及BaF2等寬帶隙晶體材料，同樣證實了庫侖爆炸的合理性。2003年，Egidijus Vanaga8等人采用納焦能量的飛秒激光在硼酸硅玻璃形成丘狀納米結(jié)構(gòu)，燒蝕機理與庫侖爆炸相一致。丘狀燒蝕物沒有明顯的熔融和環(huán)形凹痕，受損部位的橫向尺寸小于聚焦樣品表面的焦斑4至5倍，這與多光子效應所導致的破壞機理相一致�？傊P(guān)于飛秒激光與材料相互作用的物理機制，目前還沒有一個統(tǒng)一的看法，這個問題仍然是未來研究的熱點。
]Ot= At B.!&z- )# 1．2飛秒激光微加工系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
&fsk ESV0 \t%iUZ$ 飛秒激光出現(xiàn)以來，啁啾脈沖放大、以鈦寶石晶體為主的增益介質(zhì)、克爾
透鏡鎖模。和半導體可飽和吸收鏡等技術(shù)促使著它從染料激光器發(fā)展到自啟動克爾透鏡鎖模激光器，以及后來的
二極管泵浦全固態(tài)飛秒激光器和飛秒
光纖激光器。為滿足科研和生產(chǎn)進一步發(fā)展的要求，國內(nèi)外學者仍然致力于飛秒激光器研究，紛紛搭建起微加工系統(tǒng)。飛秒激光系統(tǒng)由振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器4部分組成。表1是近年來國內(nèi)外最具有代表性的飛秒激光器、微加工系統(tǒng)。從表l可以看出：①輸出脈寬大約幾百飛秒，真正短到幾飛秒的甚少，因而平均功率較低，限制了它在商業(yè)中的應用，生產(chǎn)效率較低；②工作穩(wěn)定性提高，壽命延長，如暢銷全球的CPA- 21××系列的種子光有20年的平均無故障時間；③實現(xiàn)MHz的重復頻率輸出；④可調(diào)諧波長范圍變廣，加工精度、光束質(zhì)量較高；⑤利用它的超快特性，逐漸實現(xiàn)三維精細加工。但飛秒激光系統(tǒng)在小型化、可調(diào)可控性、實用性、全光纖等方面還有很大的發(fā)展空間。
P$]K 9Wg;M#c2Y| 另外，對比國內(nèi)外的發(fā)展狀況，可以看出國內(nèi)存在的差距：①國內(nèi)生產(chǎn)飛秒激光器、微加工系統(tǒng)的知名公司較少；②完全用國產(chǎn)元件搭建的飛秒激光系統(tǒng)甚少；③國內(nèi)飛秒激光微加工基本上停留在實驗室研究階段，真正用于超快、微加工領(lǐng)域?qū)嶋H生產(chǎn)的極少。
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4|4 *rhwp ^M\X/u q$E 2 飛秒激光微加工技術(shù)的應用
jxZf,]>T NZO86y/ 2．1飛秒激光加工微結(jié)構(gòu)
RY3=UeoF A ]1dR\p 基于能量高度集中、熱影響區(qū)小、無飛濺無熔渣、不需特殊的氣體環(huán)境、無后續(xù)工藝、雙光子聚合加工精度可達0．7μm等優(yōu)勢，飛秒激光在誘導金屬微結(jié)構(gòu)加工應用方面和精細加工方面都取得了很大的進展。
S..8,5mBH Uw| -d[ ! (1)孔加工在1mm厚的不銹鋼薄片上，飛秒激光進行了具有深孔邊緣清晰、表面干凈等特點的納米級深孔加工(如圖1a)；在金屬薄膜上，鈦寶石飛秒激光加工制備出了微納米級陣列孔(如圖1b)，孔徑最小達2.5μm，孔直徑在2．5～10μm間可調(diào)，最小間距可達10μm，很容易實現(xiàn)10-50μm間距調(diào)整。
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"3'a.b akw hgbf"J6V8 (2)金屬材料表面改性1999年，德國漢諾威激光中心Nolte S等人首次報道了結(jié)合鈦寶石飛秒激光三倍頻光(260 nm)和SNOM(掃描近場光學
顯微鏡)在金屬鎘層制出了線寬僅200 nm的凹槽。為以后的無孔徑近場掃描光學顯微鏡(ANSOM)取代SNOM奠定了基礎，獲得了高達70 nm的空間分辨率，開拓了遠場技術(shù)在納米范圍下的物理化學特性以及輸運機制的研究。
7VskZbj\ (3)金屬納米顆粒加工自1993年Henglein A等人首次利用激光消融法制備金屬納米顆粒以來，許多研究小組制備出高純度、粒度分布均勻的金屬納米顆粒。Link H等人進一步控制飛秒激光的能流密度和照射時間，將金屬納米棒完全融化為金屬納米點。與其它激光脈沖相比，飛秒激光改變的金屬顆粒尺寸大小和特定形狀，使金屬納米顆粒特別是貴金屬(Au、Hg、Pt、Pd等)在催化、非線性光學、醫(yī)用材料科學等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。
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2_ (4)金屬掩模板加工 新加坡南洋科技大學Venkatakrishnan K等人利用飛秒激光直寫方法制作了以金屬薄膜為吸收層、石英為基底的金屬掩模板，并將前入射與后入射兩種方案作了比較，發(fā)現(xiàn)采用前入射的方法能夠得到更小的特征尺寸和好的邊緣質(zhì)量。并且利用飛秒激光超衍射極限加工有效地修補了金屬鎘掩模板的缺陷，修復的線寬達到小于100 nm的精度。目前構(gòu)建的飛秒激光修正光掩模板工具已在IBM的柏林頓、佛蒙特州的掩模制作設備中運行。這對微電子技術(shù)的發(fā)展將具有重要意義。
FLZ9R g pNZ3vTs6 (5)復雜的微結(jié)構(gòu)加工①耐熱玻璃上的水渠道結(jié)構(gòu)(圖2)，邊緣質(zhì)量較好。但結(jié)構(gòu)的精確性、表面和底端形態(tài)還有待改進；②光敏樹脂里面制作的世界上最小的人造動物模型：10μm長，7μm高的公牛；③ScR500樹脂內(nèi)制備的約10μm的微型金字塔和房子模型；④光刻膠上飛秒雙光子聚合(Two- Photon P01ymerization：TPP)的微型蜘蛛和恐龍模型(圖3)等。
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