“飞秒激光微加工

【摘要】飞秒激光微加工技术作为一种新兴的加工技术，具有非接触、效率高、加工精度高、热效应小、损伤阈值低以及能够实现真正的三维结构微加工等传统技术无法比拟的诸多优点，其应用领域相当广泛。文章描述了飞秒激光加工透明材料时，激光能量沉积在光学趋肤层，热效应极小的特性。指出了目前打孔普遍利用激光的直写技术，针孔掩模加工技术可以改善孔形的事实。最后展望了飞秒激光微加工的研究方向。

【关键词】飞秒激光;微加工;打孔;阈值;优点;前景

1.引言

激光是在粒子数反转情况下通过受激辐射放大产生的高亮度相干光束，其原理早在1916年就由物理学家爱因斯坦提出，但直到1960年，梅曼（t?maiman）成功制造的第一台红宝石激光器问世[1]，量子光学才由理论研究发展到技术工程。随着各类激光器的出现，激光器的脉宽急剧缩小，峰值功率大幅提高，可调型和稳定性等优势逐渐凸显，飞秒激光在工业加工领域备受青睐，各界根据不同的需要将其广泛应用于微光学、微电子、微机械、微生物、微医学等领域。

2.飞秒激光脉冲技术

1976年，人们首次在染料激光器中实现了飞秒量级的激光脉冲输出[2]。20世纪90年代初，克尔透镜锁模飞秒钛宝石激光器使得飞秒激光技术获得了一次飞跃发展。2003年，n h rizvi总结了飞秒激光对金属、玻璃、金刚石、陶瓷以及各种聚合物等材料的微加工进展情况，并论证了飞秒激光是一种优秀的微加工光源[3]。

人们利用飞秒激光可以聚焦到透明材料内部进行三维加工这一特性，在石英玻璃中制备出各种微光学元件和微流体器件，并将其成功集成在同一块玻璃芯片上，飞秒激光于是在生物传感和生化分析等领域得到一定应用。

在信息电子领域，研发人员将新型激光精细加工装备应用于半导体集成电路、印刷线路板、平板显示、fbg光纤光栅，大大提高了制作效率和工艺水平。经过科研人员的努力，飞秒激光在半导体照明、太阳能光伏电池、燃料电池、微创医用器械及各类mems等新兴产业中也得到了广泛应用。另外，由于激光加工的非接触性，它还可应用于昂贵或危险物品的加工。

3.飞秒激光微加工的发展现状

激光微加工被誉为“未来制造业的共同加工手段”。在世界范围内，欧洲、美国、日本在飞秒激光微纳加工领域至今仍处于领先地位。我国的激光微加工技术研究大多集中在高校和科研机构，国内也有一些新兴的激光设备制造企业开发的激光微孔加工设备应用于生产中，但由于落后的加工控制技术和较为薄弱的研发能力，产品的孔型和径深比都无法与欧美日等激光产业比较发达的国家相比。

4.飞秒激光与透明介质的相互作用

飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，与物质相互作用时呈现强烈的非线性效应，如自聚焦、自相位调制、群速色散、白光超连续谱的产生等。它主要依靠多光子吸收机制来加工一些长脉冲激光无法作用的透明材料，并且其作用时间极短，热效应小，可以克服等离子体屏蔽的现象[4]。

4.1 飞秒激光烧蚀的特性

为了对材料造成烧蚀作用，激光的能流密度必须超过某一特定的值，即烧蚀阈值fth。原本不会吸收可见光和近红外光这一波段的透明介质，会在极小范围内因多光子电离而快速产生大量的等离子体。当等离子体密度达到1021cm-3时，由于对激光能量的强烈吸收，激光能达到的深度只有lμm。大量激光能量在物质中沉积，给局部加热并使其形成光损伤，而周围的物质仍处于“冷状态”。因此和长脉冲相比，飞秒激光加工的边缘较为光滑、清洁[5]。

飞秒激光针对透明介质以及其他各类材料（包括金属）的烧蚀打孔实验均表明了飞秒激

光加工可以得到极好的微加工质量[6]。对于特定的激光参数，烧蚀阈值由材料的光学反射、吸收及热扩散系数决定[2]。材料的掺杂和缺陷对烧蚀阈值的影响很小，烧蚀阈值比较稳定。飞秒激光对材料的烧蚀阈值低于长脉冲，适当控制其能流密度使其略高于烧蚀阈值，便可以使加工精度突破衍射极限。这一特性与高斯光束能流密度分布有关。

式中f0为归一化的能流密度，r为高斯光束的径向尺寸，为高斯光束的束腰半径，束腰处的能流密度[2]。

图1 高斯光束的烧蚀阈值

为了提高加工精度必须把光束会聚得尽量小，可以使用较大数值孔径（na）的物镜聚焦。在2001年日本科学家利用飞秒脉冲激光双光子聚合技术首次突破衍射极限获得120nm的加工分辨率后，我国中科院理化技术研究所有关科学家于2007年实现了15nm线宽的纳米尺度加工分辨率[7]。

透明介质材料的烧蚀阈值还与聚焦条件有关。随着数值孔径的增加，阈值能量逐渐减小。因此，即使输出功率较低，通过使用较大数值孔径的聚焦透镜，也可以在透明介质中形成烧蚀。

超短脉冲与介质相互作用时存在热扩散效应，三温模型充分考虑了材料对光子的非线性吸收和电子-晶格作用，解释了载流子和晶格的温度以及飞秒激光对介质材料作用时等离子体的产生过程，显示了飞秒激光加工透明材料时激光能量沉积在光学趋肤层、热效应极小的特点。

4.2 飞秒激光直写加工技术

飞秒激光直写不同于干涉和投影制备等方法，它具有较高的自由度，常用于各种点、线扫描。目前主流的实验装置是商业化的掺钛蓝宝石的啁啾脉冲放大系统。具体激光参数包括：中心波长为800nm左右，脉宽为几十到几百飞秒，单脉冲能量已达到毫焦量级，重复频率为1～103khz量级可调谐。为了减小加工中热效应的累积，可将重复频率降得更低。

将样品放置在由计算机控制的三维精密平移台上，通过半波片和线偏振片的组合来调节脉冲能量，使飞秒激光通过物镜聚焦到样品表面或体内，加工过程可以通过ccd成像系统实时监控。

针孔掩模加工技术对聚焦点处飞秒激光空间传输特性具有一定的影响。当聚焦物镜前不加针孔时，焦点附近的烧蚀区域基本为对称分布，且偏离焦点位置时，烧蚀线宽迅速增加，成纺椎型分布。而加上针孔后，焦点附近束腰半径变化趋缓，烧蚀边界更加清晰、无裂痕，且脉冲能量大小只影响刻痕线宽大小[8]。

4.3 微流体器件

微通道是微流体器件的重要组成部分，目前主要从：（1）在空气中对石英或硅酸盐玻璃内部钻孔加工微通道;（2）辅以水或其他液体的飞秒激光微加工技术;（3）飞秒激光辐照光敏玻璃后对样品进行焙烧、腐蚀、退火等后期处理;（4）飞秒激光辐照石英玻璃后直接使用hf酸腐蚀[9]等四个方面研究飞秒激光加工三维微通道。

在空气环境中对材料打孔需要较高脉冲能量，并且只能沿轴向加工微通道，孔的内壁平整性较差，适用于对加工精度要求不算很高的情形。辅助以水或其他液体的飞秒激光微加工技术可以驱散碎屑以防阻塞，但只能加工一些比较短的微通道。

在光束中插入象散透镜或狭缝，可以适当改变脉冲强度的空间分布，微通道横截面趋于圆形，性能得到改善。对精密的光学元件而言，使用退火处理技术可以有效地提高空心结构的表面平整度。

5.飞秒激光打孔的优点

飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率。激光束在空间和时间上高度集中，利用透镜聚焦，可以将光斑的直径缩小到微米级，从而获得高功率密度。与其他加工技术相

比，有以下诸多优点：（1）飞秒激光与物质相互作用时呈现强烈的非线性效应，其作用时间极短，热效应小，对被加工材料氧化、变形、热影响区域均较小，不需要特别保护;（2）飞秒激光的加工精度非常高，已经超过衍射极限的限制，可以达到纳米量级;（3）与接触式的传统机械打孔相比，可以避免碎屑的产生，并且可以获得大的深径比。

由此可见，飞秒激光微孔加工是一种便捷高效、绿色环保、节能降耗的先进制造技术。

6.前景展望

飞秒激光微加工技术蓬勃发展，尽管仅有十余年的发展史，却已经成为激光精密微加工领域中最重要、最前沿的研究方向之一。

目前迫切需要高重复频率、高平均功率、波长与脉冲宽度可调、稳定且易操作的新型飞秒激光器。另外，尽管各种材料的烧蚀基本与阈值模型相符合，但至今还没有一种模型能够完全解释飞秒激光与各种材料相互作用过程中的一系列新现象，所以这一领域仍需要进行大量的理论工作和实验工作[10]。当前的三维飞秒激光微加工技术主要是基于激光直写方案，采用逐点扫描的方法形成复杂的三维图案，耗时较长。因此仍需探究新技术加以改进。

针对国内激光技术落后于国际先进水平的情况，我们需要集中智慧抓紧研究和生产，使激光微加工技术广泛造福于人民。