_飞秒激光微加工_打孔_的文献综述_王敏
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 IntroductionAbstract: This paper first briefly describes the technical background of the femtosecond laser and micro machining technology andfemtosecond laser micro machining technology, then a moredetailed description the femtosecond laser micro machiningtechnology and its features and applications, combined withthe femtosecond laser micro machining technology will becharacterized by with other micro-machining technology, thefinal analysis of the femtosecond laser micro machiningtechnology trends and application prospects.Keywords:femtosecond laser micro machining technology femtosecond laser ultra-fine processing0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。
飞秒激光微加工_激光精密加工领域的新前沿
文章编号:0258-7025(2007)05-0595-28综述 飞秒激光微加工:激光精密加工领域的新前沿何 飞,程 亚(中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室,上海201800)摘要 飞秒激光微加工技术具有加工精度高、热效应小、损伤阈值低以及能够实现真正的三维微结构加工等优点,这些特性是传统的激光加工技术所无法取代的。
首先回顾了激光微加工和超短脉冲激光技术的发展历史,然后介绍超短脉冲激光与金属和介质材料相互作用的机制,接着阐述了飞秒激光直写、干涉和投影制备等各种加工方法的原理,重点讨论飞秒激光在三维光子器件集成、微流体芯片制备及其在生化传感方面的应用等,最后展望了飞秒激光微加工领域所面临的机遇和挑战,指出了未来的研究方向。
关键词 超快光学;飞秒激光;光与物质相互作用;微加工;集成光学;双光子聚合;微流体;纳米颗粒中图分类号 T N 249 文献标识码 AFemtosecond Laser Micromachining :Frontier in Laser Precision MicromachiningHE Fei ,C HENG Ya(State K ey L aboratory o f High Field L aser Phy sics ,S hanghai Institute of Optics and Fine Mechanics ,T he Chinese Academy of S ciences ,Shanghai 201800,China )A bstract Femtoseond laser micromachining enables fabrica tion o f true th ree -dimensional (3D )micro struc ture s with high precisio n and low heat effect and damage thresho ld ,sho wing unique adv antag es ov er the tr aditional lase r micro machining techno lo gy .We fir st review the histories of la ser micro processing and ultra -sho r t pulse lase r technology ,and then o utline the mechanisms of the inter actions o f ultra -sho r t la ser pulse w ith metals and transpar ent media .N ex t ,w e introduce sev eral majo r technical appr oache s in the field o f femto second lase r micro machining such as femto second laser direct w riting ,multi -beam inter ference and pro jectio n patterning ,as w ell as their applications in fabricatio n of 3D integ ra ted o ptical device s ,micr ofluidic chips ,and chemical and bio lo gical sensor s ,etc .Lastly ,w e highligh t the oppor tunities and challeng es in the field ,and sugg est some direc tions fo r the future resea rch .Key words ultrafast optics ;femtosecond laser ;light -mat te r interactio n ;micromachining ;integ rated o ptics ,two pho to n po lyme rizatio n ;micro fluidics ;nano pa rticles 收稿日期:2007-03-30;收到修改稿日期:2007-04-24 作者简介:何 飞(1984—),男,湖北人,硕士研究生,主要从事飞秒激光材料微加工方面的研究。
《飞秒激光刻蚀石英玻璃微加工技术研究》
《飞秒激光刻蚀石英玻璃微加工技术研究》一、引言随着微纳制造技术的飞速发展，飞秒激光刻蚀技术在石英玻璃微加工领域的应用日益广泛。
该技术以其高精度、高效率、低损伤等优点，在光学、光电子学、微机械等领域展现出了巨大的应用潜力。
本文将就飞秒激光刻蚀石英玻璃微加工技术的研究现状、原理、实验方法、结果以及展望等方面进行详细介绍。
二、飞秒激光刻蚀技术原理飞秒激光刻蚀技术是一种利用飞秒激光器产生的高能量、高精度的激光脉冲对材料进行微纳加工的技术。
其原理是利用激光的超高能量和超快脉冲宽度，使石英玻璃材料在极短时间内发生非线性吸收、多光子电离等物理过程，从而达到局部快速熔化、汽化、烧蚀的效果，实现材料的高精度微加工。
三、石英玻璃微加工技术研究现状石英玻璃作为一种重要的光学材料，具有优良的物理化学性能和光学性能，广泛应用于光学仪器、光电子器件、传感器等领域。
然而，石英玻璃硬度高、脆性大，传统的机械加工方法难以实现高精度、低损伤的加工。
因此，飞秒激光刻蚀技术在石英玻璃微加工领域的应用成为了研究热点。
目前，国内外学者在飞秒激光刻蚀石英玻璃的加工工艺、加工质量、加工效率等方面进行了大量研究，取得了一系列重要成果。
四、实验方法与步骤1. 实验材料与设备：选用高纯度石英玻璃作为实验材料，采用飞秒激光器作为加工设备。
2. 实验设计：根据实际需求，设计合理的激光参数（如激光脉冲能量、频率、扫描速度等）和加工路径。
3. 实验步骤：将设计好的加工路径导入飞秒激光器控制系统，启动激光器进行加工。
通过观察和记录实验过程中的现象和数据，分析飞秒激光刻蚀石英玻璃的加工特性。
五、实验结果与分析1. 加工质量：飞秒激光刻蚀石英玻璃具有高精度、低损伤的特点，可实现微米级别的加工精度。
通过优化激光参数和加工路径，可以提高加工质量，降低表面粗糙度。
2. 加工效率：飞秒激光刻蚀技术具有高效率的优点，可以在短时间内完成复杂的微纳加工任务。
然而，过高的激光能量可能导致加工速度降低，需根据实际需求合理调整激光参数。
飞秒激光-文献调研与综述
整个加工机系统主要由三部分组成: 飞秒激光系统、位移平台系统和控制系统。
美国Clark-MXR公司制造的飞秒激光加工机
振荡器
• 锁模技术 获得飞秒 激光脉冲
展宽器
•将飞秒种子 脉冲按不同 波长在时间 上拉开
放大器
• 使这一展 宽的脉冲 获得充分 能量
压缩器
•不同成分的 光谱会聚到 一起，复到 飞秒宽度。
03 飞秒激光加工的主要应用
02
飞秒激光加工金属材料
03
飞秒激光加工透明材料
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透明玻璃内部刻出环状光波导
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光纤纤芯中光诱导折射率变化
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“冷”加工特性
可加工材料广泛
加工精度高
03 飞秒激光加工的主要应用
01
飞秒激光处理烈性材料和聚合物材料
使用传统机械操作或者传统的激光加工，由于对热应力和冲击波的敏感以及不适当的切割速度都 会造成爆炸。
利用飞秒激光对高爆材料进行安全切割，由于飞秒激光的冷加工特性使得整个切割面上的化学变 化完全消失。 F.Roeske等在大气条件下采用飞秒激光分高速和低速切割烈性材料，结果显示，在高加工速度 下，切割质量高且边缘清晰。
03
聚焦能力极强
极窄的脉冲宽度使飞秒激光在较低的脉 冲能量下就可以获得很高的峰值功率和 极强的聚焦能力 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 实际操作中，加物镜或透镜减小光斑尺 寸，提高加工精度
02 PART TWO 系统结构
飞秒激光微加工技术研究及其应用
飞秒激光微加工技术研究及其应用随着科技的日益发展，飞秒激光微加工技术也越来越受到人们的关注。
这种技术利用飞秒激光的短脉冲和高能量密度，对材料进行微加工和微加工制造。
本文将介绍飞秒激光微加工技术的研究和应用，以及对未来的展望。
一、飞秒激光微加工技术研究飞秒激光微加工技术是一种先进的加工技术，其主要原理是通过高速的飞秒脉冲激光照射在材料表面，产生局部熔化和蒸发的现象，从而实现微加工和微加工制造。
这种技术所使用的激光脉冲时间非常短，只有几百飞秒，从而可以大大减少加工产生的热量和机械压力。
飞秒激光微加工技术的研究主要涉及到激光源的开发、加工机器的设计和开发、加工过程控制技术等方面。
激光源是飞秒激光微加工技术的核心，目前主要有铝镓镓砷（AlGaAs）、纳米抽运钛宝石（Nd:YAG）、纳米纤维激光（NFL）等类型的激光源被广泛应用于该技术领域。
此外，加工机器的设计和开发也是该技术研究的重点之一，通过优化机器结构、改进系统控制，可以提高加工的精度和效率。
二、飞秒激光微加工技术应用飞秒激光微加工技术具有高精度、高效率、高品质的特点，被广泛应用于制造、信息、能源、生命科学等领域。
以下将结合实际应用案例，介绍飞秒激光微加工技术的具体应用。
1. 精密制造精密制造是飞秒激光微加工技术的主要应用领域之一。
该技术可以用于制造微型零部件、微型机械、模具等产品。
例如，飞秒激光微加工技术可以制造微型LED芯片，利用飞秒激光脉冲加工出微结构，提高LED的光转换效率。
此外，在MEMS和MOEMS等领域，飞秒激光微加工技术也被广泛应用。
2. 信息技术飞秒激光微加工技术在信息技术领域中的应用主要涉及到光存储和光通信技术。
利用飞秒激光微加工技术可以制造出高分辨率的光栅和微孔阵列，作为信息记录介质，实现超高容量的光存储；同时也可以制造出高品质的光通信设备，实现高速、高容量、低损耗的光通信。
3. 能源科学飞秒激光微加工技术在能源科学领域中的应用主要涉及到纳米材料的制造和太阳能电池的研究。
飞秒激光在材料加工中的微观机理研究
飞秒激光在材料加工中的微观机理研究引言：随着科学技术的迅猛发展，材料加工领域涌现出了各种各样的先进技术。
其中，飞秒激光技术作为一种新兴的材料加工方法，因其出色的性能和广泛应用而备受瞩目。
飞秒激光以其独特的能量密度和微观加工效果，成为了研究人员们的关注焦点。
本文将探讨飞秒激光在材料加工中的微观机理研究，以及其对应的应用领域。
一、飞秒激光技术的概述飞秒激光技术是一种以极短脉冲激光为源的材料加工方法。
与传统的毫秒甚至微秒激光相比，飞秒激光具有更高的功率密度和更短的脉冲宽度。
这种短脉冲的特性使得飞秒激光可以在非常短的时间内向材料施加极高的能量密度，形成极高的局部温度和压力。
这使得飞秒激光在材料的微观结构和性能调控方面具有巨大的潜力。
二、飞秒激光在材料加工中的微观机理1. 飞秒激光下的光-物质相互作用飞秒激光在材料表面与光-物质相互作用时，主要通过光扩散、电子与物质相互作用和熔化/汽化三个过程来实现能量传递。
首先，光扩散导致了光在材料中的渗透和传播，从而形成一个具有均匀分布的光子场。
其次，飞秒激光的高能量脉冲可以使得材料的电子受激发，产生复杂的电子-原子相互作用。
最后，随着温度的升高，材料很快达到熔化温度，并进一步蒸汽化。
这种相变过程直接改变了材料的表面形态和结构，实现了飞秒激光加工的微观机理。
2. 飞秒激光诱导的微观效应飞秒激光加工中，由于极短的脉冲宽度和高能量密度，会出现多种微观效应，如飞秒激光诱导的电子、离子和光子效应。
其中，电子效应是最常见的一种，即由于飞秒激光的瞬时加热会导致电子的激发和散射等过程，从而改变材料的电子态密度和结构。
离子效应是指在飞秒激光加工过程中，离子通过碰撞和电子复合等方式与材料相互作用，导致材料的物理变化。
光子效应是指飞秒激光与材料相互作用后，产生的光子会被材料吸收，导致表面发生光相干检测等现象。
三、飞秒激光在应用中的突破1. 飞秒激光在光学材料加工中的应用飞秒激光由于其高的聚光性和精确性，广泛应用于光学材料的加工和制造领域。
飞秒激光技术在微纳加工中的应用
飞秒激光技术在微纳加工中的应用现代科技的快速发展，让微观世界变得越来越重要。
尤其是在生产领域，微观零件的制造质量对产品的性能、价格和竞争力都有着非常重要的影响。
现在，一种新型的雕刻技术——飞秒激光技术已经发展成为高质量的微纳米加工、超精密加工和微细精度测量的有力工具。
本篇文章将会讲述飞秒激光技术在微纳加工中的应用，希望能对读者有所启发。
1、飞秒激光技术的简介飞秒激光技术是一种特殊的激光加工技术，能够在微纳米尺度下精确加工出高质量的形状和结构。
传统的激光加工技术主要是利用激光脉冲的热效应去烧蚀、熔化或气化加工物质。
这种技术容易产生裂缝和硬度变化等问题。
而飞秒激光技术则是利用激光波长与物质基本结构尺度相近的特性，利用激光脉冲的非线性光学效应，通过先进的像素级控制和精度控制算法，精细研究激光与材料的相互作用规律，从而在微纳米尺度下实现高质量的加工技术。
2、飞秒激光技术在微纳加工领域的应用2.1、微孔加工在工业、病毒学、生物化学等领域中，大量的需要制备高质量孔洞的实验需要用到精细的微孔加工技术。
传统的微孔加工技术多利用钻孔、放电或化学相切割等方法进行加工，但由于其存在误差和加工精度差的问题，并不适应微纳加工的要求。
飞秒激光加工微孔技术提供了一种更加高质量和高效率的加工方法，在细胞操作、细胞孔洞、微流控芯片、微观高通量筛选等方面有广泛应用。
2.2、微细加工微观零部件的制造，需要非常高精度、高稳定性和高重复性的制造技术，而飞秒激光技术的产生正是为了解决这些问题。
飞秒激光加工的精度和稳定性非常高，通常可以达到更小的尺度，其制造、改善和控制的微纳米材料结构具有良好的应用前景。
例如，在DNA识别、传感器和微纳米机械中，飞秒激光技术都有广泛的应用。
3、飞秒激光技术的现状及未来飞秒激光技术已经成为微纳加工、超精密加工和微细精度测量的有力工具，其中包括 3D显微成像、光所驱动的力操作、量子小界面探测等多方面。
目前，国内飞秒激光技术的研究与发展程度相对还比较薄弱，与国外先进技术水平还存在差距。
飞秒激光在微纳加工领域的应用 准分子激光微孔加工技术研究
飞秒激光在微纳加工领域的应用飞秒激光开始应用到微纳加工领域始于20世纪90年代初。
正是由于飞秒激光具有持续时间短及高脉冲功率密度的特性，使得其与物质相互作用时具有许多独特的优点：确定的烧蚀阈值，规则的加工边缘，层层微加工以及可加工任何材料等。
最近研究结果表明：飞秒激光微细加工在微光学、微电子、微机械、微生物、微医学等多个领域具有潜在的应用价值。
不同学科、不同实验具有不同的具体要求，这就需要采取相应的加工手段来实现特定加工目的，囚此飞秒激光深孔加工技术等加工工艺开始引起越来越多研究者的重视。
激光整形技术是指在激光腔内或腔外采用光学元件改变光束形态实现光束整形。
飞秒激光脉冲整形有别于传统整形概念，主要是在保留原有高峰值功率特性基础上，在光路中引人扩束器、滤波器以及衍射模板等光学器件，达到缩小聚焦尺寸、去除高斯光束周围荧光成分、减少脉冲形变及多种形状加工等目的。
常用的是空间滤波和掩模控制技术。
空间滤波是实现对光束边缘荧光的屏蔽效用，实现聚集点光学质量的改善，掩模控制是通过掩模形状来实现对脉冲的调制，以达到确定的加工目的。
本文采用聚焦物镜与接收材料同步运动的方法，可以很容易地将焦点前后脉冲的空间形态在材料表面以二维平面图形式表示出来。
在聚焦物镜前加小孔掩模板，通过小孔直径及小孔前后脉冲能量的变化，可直观观察到光束空间形态的改变。
最后，实验选取合适参数，成功刻划出边缘光滑的透射型金属光栅。
1 实验装置及方法实验设备采用的是Clark公司飞秒激光加工工作台(UMW-2110i，Clark-MXR Inc.)。
激光具体参数为：中心波长775nm，脉宽148 Fs，重复频率1kHz，最大单脉冲能量1mJ，在光路上加衰减片可以调整脉冲能量，聚焦前光斑直径5mm；掩模小孔直径可调范围为0.5～10mm；接收材料为喷溅法镀在溶石英基片上的金膜(厚度约为300nm)。
飞秒激光经掩模小孔后由5×显微物镜(有效焦距为40 mm)聚焦金膜表面。
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Literature Review of Femtosecond Laser Micro Processing——Punching
东南大学吴健雄学院
Wang Min （Chien-Shiung Wu College，Southeast University，2011；Nanjing，211189）
【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 Abstract：As a new processing technology，femtosecond laser micro processing technology has such advantages as non-contact，large efficiency，high precision，small heat effect，low damage threshold，and can realize the real three-dimensional structure of micro machining etc.which traditional technologies cannot compare with，resulting in a wide range of application.This article describes the characteristics that laser energy deposits on optical skin layer and thermal effect is very small when femtosecond laser machines transparent materials.It also points out the fact that currently the laser direct writing technology is commonly used for punching and pinhole mask technology can improve the holes’shape.Finally，it prospects the future research direction of the femtosecond laser micro processing. Key words：femtosecond laser；micro processing；punching；threshold value；advantages；prospects
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
“飞秒激光微加工——打孔”的文献综述
王
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
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敏
学术交流
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一起因寄生回路引起控制回路异常的情况分析