飞秒激光超微细加工技术简介

飞秒激光超微细加工技术简介

摘要：本文首先简单地介绍了飞秒激光和超微细加工技术飞秒激光加工技术的技术背景，然后较为详细地介绍了飞秒激光超微细加

工技术及其特点与应用，结合飞秒激光超微细加工技术的特点

将其与其它的微机械加工技术进行了比较，最后分析飞秒激光

超微细加工技术的发展趋势和应用前景。

关键词：飞秒激光超微细加工技术飞秒激光超微细加工

Femtosecond laser micro machining technology Introduction

Abstract: This paper first briefly describes the technical background of the femtosecond laser and micro machining technology and

femtosecond laser micro machining technology, then a more

detailed description the femtosecond laser micro machining

technology and its features and applications, combined with

the femtosecond laser micro machining technology will be

characterized by with other micro-machining technology, the

final analysis of the femtosecond laser micro machining

technology trends and application prospects.

Keywords:femtosecond laser micro machining technology femtosecond laser ultra-fine processing

0引言

激光（Laser,即Light Amplification by stimulated Emission of Radiation的缩写），意思是利用辐射受激得到的加强光，激光加工（Laser Beam Machining）就是把激光的方向性好和输出功率高的特性应用到材料的加工领域中去。【1】用聚焦的方法，把激光束汇聚在面积很小的一个区域，从而在该区域提供足够的热量使该区域的材料荣华或者气化从而达到机械加工的目的，显然激光加工是一种非接触式的加工，可以用于各种材料的微细加工。知道了什么是激光加工，那么飞秒激光超微细加工和普通的激光加工又有什么区别呢？

1飞秒激光超微细加工技术

1.1飞秒激光及其特点 要想弄清楚什么是飞秒激光超微细加工技术，首先必须知道什么是飞秒激光以及飞秒激光和一般的激光的区别。飞秒（femtosecond ）简称fs ，是标衡时间长短的一种计量单位，飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的激光，飞秒激光在瞬间发出的巨大功率比全世界发电总功率还大。二十世纪八十年代以来随着宽带可调谐激光晶体、自锁模技术的发展以及啁啾脉冲放大技术的出现，超短脉冲激光技术得到了很大的发展，通过调Q 和锁模等新技术并利用宽增益带宽的染料激光器的锁模振荡，使激光脉冲的宽度窄至飞秒

（1510s ）量级，峰值功率高达太瓦(TW ，即1210W )甚至拍瓦(PW,即

1510W )。【2】可见，飞秒激光是在激光技术以及电子技术尤其是调频技术的不断发展的背景下出现的一种脉冲极短的激光。

飞秒激光的主要特点简述如下：

1、超短脉冲，飞秒激光是我们人类目前在实验条件下能够获得的最短脉冲。

2、瞬时高功率，飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的瞬间功率可达百万亿瓦，比目前全世界的发电总功率还要多出上百倍。

3、精确定位性，飞秒激光具有精确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦到比头发的直径还要小的多的超细微空间区域。

从上述3点飞秒激光的主要特点中可以看出，飞秒激光在微细加工甚至是超微细加工的领域中有着极为有价值的应用前景。

1.2微细/超微细加工技术

微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技术。从广义的角度来讲，微细加工包括各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的方法，如切削技术，磨料加工技术，电火花加工，电解加工，化学加工，超声波加工，微波加工，等离子体加工，外延生产，激光加工，电子束加工，粒子束加工，光刻加工，电铸加工等。从狭义的角度来讲，微细加工主要是指半导体集成电路制造技术，因为微细加工和超微细加工是在半导体集成电路制造技术的基础上发展的，特别是大规模集成电路和计算机技术的技术基础，是信息时代微电子

时代，光电子时代的关键技术之一。【3】

微细/超微细加工与传统加工的主要区别表现在以下几个方面： 1、精度的表示方法

在微小尺寸加工时，由于加工尺寸很小，精度就必须用尺寸的绝对值来表示，即用取出的一块材料的大小来表示，从而引入加工单位尺寸的概念。

2、微观机理

以切削加工为例，从工件的角度来讲，一般加工和微细加工的最大区别是切屑的大小。一般为金属材料是由微细的晶粒组成，晶粒直径为数微米到数百微米。一般加工时,吃刀量较大，可以忽略晶粒的大小，而作为一个连续体来看待，因此可见一般加工和微细加工的机理是不同的。

3、加工特征

微细加工和超微细加工以分离或结合原子、分子为加工对象，以电子束、技工束、粒子束为加工基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行各种处理。

微型机械加工技术，主要是为机械装置的微细加工技术。由于微型机械属于高科技领域，因此涉及到很多技术。微型机械已经远远超出了传统机械范畴，传统机械微型之“微”，就代表着其系统的尺寸已经达到了肉眼看不见的境界，单位也由传统的计量单位变成了微米、纳米级。

1.3飞秒激光超微细加工技术

飞秒激光超微细加工技术是飞秒激光与先进的制造技术紧密相结合的产物。飞秒激光超微细加工是当今世界激光、光电子行业中的一个极为引人注目的前沿研究方向。用激光超短脉冲进行材料处理（或加工）不仅可以改进现有激光材料微加工的不足之处，而且还可以完成传统激光加工无法做到的事情。飞秒激光能够具备极高的三维光子密度，对种材料实现逐层、微量加工；飞秒激光加工的热影响区域(Heat affected zone)极小，并且不存在长脉冲激光或连续激光加工中的等离子体屏蔽效应，这就使得其能量利用效率和加工精度都非常之高。当用飞秒激光加工透明介质材料时，加工过程不受材料本身的线性吸收系数的影响，同时，对材料表面或内部的缺陷不敏感。此外，从光和物质相互作用的角度来看，飞秒激光加工涉及的主要是多光子