飛秒激光微加工技術概述

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)編號 研究類型理論研究 分類號 TN2學士學位論文（設計）Bachelors Thesis論文題目飛秒激光微加工技術概述作者姓名學號所在院系物理與電子科學學院學科專業(yè)名稱電子信息科學與技術導師及職稱論文答辯時間XXXXXXXX學士學位論文（設計）誠信承諾書中文題目：飛秒激光微加工技術概述外文題目： Summary of femtosecond laser microprocessing technology學生姓名XXX學 號XXX院系專業(yè)物理與電子科學學院電子信息科學

2、與技術班 級XXX學 生 承 諾我承諾在畢業(yè)論文（設計）活動中遵守學校有關規(guī)定，恪守學術規(guī)范，本人畢業(yè)論文（設計）內容除特別注明和引用外，均為本人觀點，不存在剽竊、抄襲他人學術成果，偽造、篡改實驗數據的情況。如有違規(guī)行為，我愿承擔一切責任，接受學校的處理。 學生（簽名）：年 月 日指導教師承諾我承諾在指導學生畢業(yè)論文（設計）活動中遵守學校有關規(guī)定，恪守學術規(guī)范，經過本人核查，該生畢業(yè)論文（設計）內容除特別注明和引用外，均為該生本人觀點，不存在剽竊、抄襲他人學術成果，偽造、篡改實驗數據的現象。 指導教師（簽名）：年 月 日 目 錄 TOC o 1-3 h z u 9134 6772728致謝飛秒

3、激光微加工技術概述XXX（導師：XXX）（XXXXX物理與電子科學學院，湖北XX XXX）摘 要：近年來，新興的飛秒激光對科學家的新能源研究也有著重要意義。本文首先綜述飛秒激光及其微加工技術的發(fā)展史，其次再簡單介紹下其在國內外的研究進展。詳細的介紹了飛秒激光微加工技術在物理、機械、生物以及醫(yī)學方面等多方面的應用。最后總結性的簡述飛秒激光微加工技術的現在發(fā)展所遇到的問題和以后的發(fā)展趨勢、應用前景。關鍵詞：飛秒激光微加工; 發(fā)展; 應用; 前景中圖分類號：TN2Summary of Femtosecond Laser Micro Processing TechnologyXXX（Tutor: XX

4、X）(College of Physics and Electronic Science，XXXXX) Abstract:In recent years, Emerging of femtosecond laser also has important significance for new energy research scientists.This paper first reviews and femtosecond laser micro processing technology, the history of the second simple introduce the re

5、search progress at home and abroad.Detailed introduces the femtosecond laser micro processing technology in terms of physical, mechanical and biological and medical aspects of application.Finally the summary description of femtosecond laser micro processing technology now encountered problems and fu

6、ture development trends and application prospects.Key words:Femtosecond laser; Micro; application prospect飛秒激光微加工技術概述1 緒論1.1 課題研究背景及意義20世紀以來，人們的發(fā)明創(chuàng)造能力越來越強，各類的重大發(fā)明相繼涌現。譽有“神奇的光”之稱的激光的出現，更是掀起了繼半導體、計算機、原子能之后又一股新興產業(yè)浪潮。激光（LASER）開始時被稱為“雷射”、“鐳射”，意思是“在受激輻射過程中產生并且被放大的光”即為激光。1916年猶太裔物理學家阿爾伯特愛因斯坦創(chuàng)新性的提出了激光的理論基礎，

7、這也是歷史上首次對激光原理的定義。之所以被稱為“新能源”，激光的出現是有理論準備的，同時激光也是那個時代迎合著生產實踐需求而產生的。它的出現無異于給古老的光學科學和光學技術注入新鮮活力的血液，使得一門新興的產業(yè)就此打開了發(fā)展的大門。激光是20世紀60年代的新機會，由于具有定向發(fā)光、亮度極高、顏色極純和能量密度大等特點使得以激光器為基礎的激光產業(yè)在各個地方發(fā)展非常迅猛?，F在在工業(yè)生產、電子、信息整理、醫(yī)療、軍事、文化教育以及科研等方面應用廣泛。據相關部門統計，全球現在從高科技端的光纖使用到很普遍的超市或者商用條形碼掃描儀的普及，有上萬億美元的產品和服務都與激光有或多或少的關聯。一份由前瞻產業(yè)研究

8、院調查的數據報告顯示：目前中國激光產業(yè)的發(fā)展前景可觀，激光行業(yè)已經具備較為齊備和通順的的產業(yè)鏈，并且分布均勻極近成熟。上行主要包括器件的基本原材料和組成部分如激光材料及配套元器件，中間部分是各種類型的激光器及其配套設備，下行主要是以成品顯示，激光原理的產品、基本的消費產品、儀器設備為主，并被人們廣泛使用。 隨著時代的發(fā)展，移動型互聯網的對人們生活的影響越來越大。從以前簡單的數字計算，再到逐漸普及各方面的智能，慢慢地把人們的生活、學習、工作、娛樂等各個方面與各行業(yè)的頂尖新技術緊密聯合在一起，滿足人們各方面的需求。雖然激光的出現解決了很多技術上的局限性，打破了以前不可能的記錄。但是隨著人們經濟水平

9、的提高，物質生活的轉變，對生活品質、身體健康的要求也日益提高。所以傳統的激光在一些方面的缺點逐漸暴露出來。例如激光脈沖時間長，造成能力的散失，對微加工來說很不利。激光手術風險太大、激光的顏色也不滿足所有材料、紫外激光對很多材料都不是透明的、所以使用的時候很麻煩。諸如此類的問題慢慢積累起來，引起人們的重視。而此時，一種很神奇的激光即為飛秒激光進入了科學家的研究發(fā)現中。什么是飛秒激光？從名字上面理解：飛秒(femtosecond)是衡量時間長短的單位之一，簡稱毫微微秒，1秒是1飛秒的一千萬億倍。飛秒激光即是一種以脈沖形式運轉的特殊激光，時間脈沖特別短。飛秒激光的出現在一定上彌補了傳統激光的不足。飛

10、秒激光完全是人類創(chuàng)造的奇跡。飛秒激光是目前最短脈沖的激光，而獲取它需要在實驗室條件下。飛秒激光可以在瞬間發(fā)出的很大的功率甚至比全世界的發(fā)電總功率還大。據人們生活統計，它的很多特性已有所應用，很多科學家預言說飛秒激光會促進當下世紀新的能源力量的產生。飛秒激光的應用前景很廣，會開辟新的一塊科學領域，創(chuàng)造出一個新的歷史新紀元，未來充滿希望和挑戰(zhàn)的。 飛秒激光的用途是什么？大家都知道，物質的靜止是相對的，即使在物質內部也是一樣的，時時刻刻都在快速地運動著。這個屬性對于宏觀物質和微觀物質均適用。人們對于微觀物質的觀察就是基于飛秒激光的技術層面的，例如：原子和核外電子的快速運動過程。在毫微微秒內觀察和研究

11、超短時間內的運動學過程，只是飛秒激光一個特點。瞬間高功率經常在微加工制造的時候顯示出來。為了得到較高的峰值光強，首先發(fā)射低脈沖能量，然后通過誘發(fā)雙光子或者是多光子進行吸收，可以使材料內部發(fā)生改變，最后達到目的。目前，微加工制造的迅猛發(fā)展向加工技術、精度以及加工難度提出了更加嚴格要求。所以，在解決以前滯留問題的同時，飛秒激光微加工技術還可以有自己獨特的創(chuàng)新，比如：直接加工出真正的三維微結構在透明材料內部。飛秒激光器在市場上的出現很快就奪得了精密手術醫(yī)療和儀器加工行業(yè)的青睞。飛秒激光微加工技術的良好群眾基礎就是從此來的。此外，目前很多關于飛秒激光微加工原理的試驗和研究大多是創(chuàng)新性的，本文中將通過與

12、傳統激光、長脈沖的比較，來突出飛秒激光及其微加工技術的特性和優(yōu)勢。1.2 國內外研究現狀20世紀6070年代，激光開始出現，并且緩慢發(fā)展。在這一階段，采取的波段主要是近紅外波和紅外波的激光高功率系統。當前他們的輸出功率普遍較高水平在千瓦量級，光能量的輸出都在納秒時間范圍內。作為當時主要的激光加工材料：金屬，加工過程還是多樣化的。但是由于傳統激光在加工過程中的熱量擴散、加工材料的選擇、較差的方位選擇能力等缺點逐漸暴露，所以人們又有了新的追求目標。20世紀80年代，隨著寬帶可調諧技術的出現以及自鎖模技術的發(fā)展，似乎啁啾脈沖放大技術的出現，并不是很讓人驚訝。飛秒激光微技工技術得到了很好的發(fā)展，利用寬

13、增益帶寬的染料激光器再加上調Q和鎖模等新技術并用的鎖模振蕩，使普通的激光脈沖的寬度窄達到毫微微秒（）量級，也提高了峰值功率范圍高達太瓦()甚至于拍瓦()。由此可見，飛秒激光是在激光技術的一種特殊發(fā)展，也是電子技術特別是調頻技術下的不斷創(chuàng)新開拓的背景下發(fā)現的一種脈沖極短功率極高的激光。圖1是20世紀激光的發(fā)展趨勢圖。到了20世紀80年代中期 ,啁啾脈沖放大技術(CPA) 圖2被應用于創(chuàng)造超短超強激光脈沖，成功的開創(chuàng)了飛秒激光微加工技術發(fā)展的新起點。圖1超短激光脈沖發(fā)展趨勢圖2啁啾脈沖放大技術示意圖 我國飛秒激光微加工技術的發(fā)展在國際上占有非常的重要地位。中國物理科學院及其研究所在近些年內先后制造

14、出來了極光(1.4TW/25 fs)和極光 (20TW/30 fs),現在正在致力于建造極光(200TW/40 fs), 在研究飛秒激光產生方面有顯著成果1,2。位于上海的中國科學院光學精密機械研究所于在2003年時,就研制出當時國際上功率最高OPCPA激光器3,4,2004年時又利用自己制作的的大口徑鈦寶石晶體，實現了120TW/36fs的激光脈沖輸出5,現在正在致力于建造更高功率的飛秒激光微加工裝置。國際上主要飛秒激光裝置列于表 2 。下面主要介紹國外科研工作者在這一課題的研究成果和現狀：自從1916年愛因斯坦提出激光原理以后，更多的科研工作者投入到這一新興產業(yè)中。1974 年LLN L實

15、驗室創(chuàng)造出了百焦耳級功率級別的釹玻璃激光器。2000 年時建成了JanUSP6(Janus-pumped ultrashort-pulse laser)裝置。輸出功率達到200太瓦,脈沖寬度為75fs，聚焦功率密度很高，高達21021W/cm2。在當時達到了最高的輸出功率和最大的聚焦功率密度。日本的原子能研究所(JAERI)剛開始建造了一臺10Hz,18.9fs,100太瓦激光器7,然后又創(chuàng)造出了一臺150 J釹玻璃激光器抽運80鈦寶石放大級,在2002年的時候此裝置已經可以輸出550太瓦(32.9fs,18.1J)8，2003年就達了850太瓦9。這臺裝置就是迄今為止世界上最高功率的飛秒裝置

16、，由于管理和技術方面的限制，這個裝置一直都沒有投入使用。法國 LOA 實驗室一直在飛秒激光微加工技術發(fā)展有所究，2002年制造出了一臺100 太瓦,10Hz激光裝10，并且通過自己的技術獲得了接近衍射極限的不同光束質量和25fs的脈沖寬度在上世紀末在美國加州大學分校建成了20 fs ,60太瓦 ,10Hz 激光裝置11。近年來韓國也十分重視飛秒激光技術發(fā)展 ,光州科學技術研究所(GIST）2005年引進了法國Thales 公司制造的100TW,10Hz激光器 UQBF12。結合國內外飛秒激光微加工技術的研究，對比國內外的飛秒激光微加工技術發(fā)展狀況，不難看出國內所存在的差距：國內致力于生產飛秒激

17、光器和微加工系統的著名的公司不多；完全依賴于國產元件組合的飛秒激光系統少之又少；國內很多飛秒激光微加工都只是在實驗室研究和發(fā)展階段，真正用于實際生活和微加工領域的太少； 國內關于飛秒激光微加工技術的探索太少了，創(chuàng)新點不多。國際上主要飛秒激光裝置列于表2高功率固體飛秒激光裝置Table 2 High power femtosecond solid-state laser facilitiesN atio nalityLabSetupEnergy / JP ulsewidth /f sPow er /T WT imeU SL LN LJanUSP1575 802002000U SL LN LFal

18、co n4 /0. 5 H z301002002U SC UO SH ercules1. 227452003U SU CSD1. 3 /10 Hz22 25601999JapanJA ERI0. 85 PW1832. 98502003F ranceL OA2. 5 /10 Hz251002002ChinaCA EPSIL EX-9263002004ChinaSIO M4. 3361202004ChinaIO PJiguang-402002006Ko reaG ISTU QBF3. 6 /10 Hz321252005RassiaIA P9452002005U KRA LA stra G emin

19、i215302 50020072 飛秒激光的產生原理2.1飛秒激光及其用途談起飛秒激光微加工技術，務必要先清楚這個技術的前提條件飛秒激光（Femtosecond Laser）。飛秒激光顧名思義：一種時間脈沖特別短的特殊激光。官方的解釋是這樣的：一種以非常短的脈沖形式運轉的激光即為飛秒激光，持續(xù)時間特別短，僅占幾飛秒，1秒=1000萬億飛秒，電子學方法所創(chuàng)造出的最短脈沖也是它的幾千倍。飛秒激光的出現在一定上彌補了傳統激光的不足，飛秒激光完全是人類創(chuàng)造的奇跡。飛秒激光是目前最短脈沖的激光，而獲取它需要在實驗室條件下。飛秒激光可以在瞬間發(fā)出的很大的功率甚至比全世界的發(fā)電總功率還大。二十世紀八十年代以

20、來隨著啁啾脈沖放大技術、自鎖模技術的發(fā)展以及寬帶可調諧激光晶體的出現，飛秒激光微加工技術得到了很大的發(fā)展，利用寬增益帶寬的染料激光器的鎖模振蕩并且通過鎖模和調Q等新的技術，使激光脈沖的寬度縮短至飛秒（）量級，峰值的功率高達太瓦(TW，即)量級，甚至于拍瓦(PW,)13?？梢?，在激光技術和電子技術特別是調頻技術的不斷發(fā)展的背景下出現的一種脈沖極短的激光既是飛秒激光。大家都知道，物質是由分子和原子組成的，運動是一定的，靜止是相對的，所以它們都不是靜止的，都在迅速地運動著，這是微觀物質的一個很重要的基本屬性。人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一微觀超快運動過程都得益于飛秒激光的出現?；谶@些科學

21、研究的發(fā)現，飛秒激光在物理電子學、生物醫(yī)學學、化學反應、光電子通訊等領域中得到了普遍泛應用。值得一提的是，飛秒激光具有高分辨率、高精確度、高速的特性，它在醫(yī)學病變早期診斷、醫(yī)學成象和生物學中的生物活體檢測、內外科醫(yī)療及超小型衛(wèi)星的制造和觀測上都有其與眾不同的優(yōu)點和無可替代的作用。物質在高強度快速飛秒激光的作用下會產生非常特別的現象:氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的物質可以瞬息間變成等離子體。產生的這種等離子體可以輻射出不同波長的射線的激光。電子束碰撞到高功率飛秒激光時可以產生硬X射線的飛秒激光，并且產生射線激光以及產生正負電子對。高功率飛秒激光在生物醫(yī)學、高密度信息儲存、超精細微加工領域和信息記錄方面等都有

22、著不可預測的發(fā)展前景。高功率的飛秒激光還可以將大氣擊穿，去制造放電通道，實現人工引雷，避免大型交通工具、火箭、以及發(fā)電廠等因天然電雷擊而造成的非人為災難性破壞。利用飛秒激光還能夠非常有效地加速電子運動，能夠上千倍的壓縮加速器的規(guī)模。物質與高功率飛秒激光互相作用，可以產生巨大數量的中子，可以實現激光受控核聚變的快速點火。從而在新能源方面開辟一條嶄新的途徑。2.2 飛秒激光的特性飛秒激光的主要特點簡述如下：1、超短脈沖。飛秒激光是我們人類目前現在在實驗條件下能夠獲得的最短脈沖；2、瞬時高功率。飛秒激光有非常高的瞬間功率，它的一瞬間功率可達百萬億瓦，比全世界發(fā)電的總功率還要多出大約上百倍；3、精確定

23、位性。飛秒激光具有非常精確的靶向聚焦定位性，甚至可以聚焦到比頭發(fā)的直徑還要小的超細微空間區(qū)域；4、飛秒激光作用在物體上時會產生非常特別的現象，像氣態(tài)的物質、液態(tài)的物質和固態(tài)的物質瞬間都可以變成等離子體。5、用飛秒激光進行手術，沒有熱效應和沖擊波，在整個光程中都不會有組織損傷；從上述5點飛秒激光的主要特性中可以看出，在微細加工和超微細加工的領域中飛秒激光還是有著極為有價值的應用前景的。其實自從發(fā)現了飛秒激光，以鈦寶石晶體為主的增益介質、啁啾脈沖放大 、克爾透鏡鎖模和半導體可飽和吸收鏡等其他技術促使著它從染料激光器逐漸發(fā)展到自啟動的克爾透鏡鎖模激光器，還有后來的二極管泵浦全固態(tài)的飛秒激光器和飛秒光

24、纖激光器。為滿足國內科研和工業(yè)生產進一步發(fā)展的需求，國內外科研人員仍然致力于飛秒激光器研究，紛紛建造起了微加工系統。飛秒激光系統由放大器、壓縮器、振蕩器和展寬器4部分組成。具有代表性的飛秒激光器、微加工系統的特點如下：輸出脈寬大約幾百飛秒，當然真正短到幾飛秒的甚少，少數都是在實驗室條件下產生的。因而平均功率較低，由于這個限制，使它在商業(yè)中的應用價值很低，生產效率較低；工作穩(wěn)定性很高，壽命延長，如眾所周知的CPA-21 系列的種子光，它有20年的平均無故障時間記錄；實現MHz的重復頻率輸出；可調諧波加工精度、光束質量較高、波長范圍變廣；利用它的超快特性，逐漸實現三維精細加工。雖然發(fā)展緩慢，但飛秒

25、激光系統在可調可控性、實用性、小型化、全光纖等方面還有很大的發(fā)展空間和前景。激光主要有六大特性：定向發(fā)光；亮度極高；激光顏色取決于波長；激光分離技術；顏色極純；能量極大綜合本文2.2對于飛秒激光特性的總結，不難發(fā)現飛秒激光與傳統激光有相似的地方，但是其性能要遠遠高于傳統激光，但畢竟飛秒激光是一種特殊的激光。飛秒激光的脈沖時間比激光短，而且功率也比普通的激光要高很多。在準確度方面，飛秒激光始終名列前茅。圖3圖4分別是長脈沖激光和飛秒激光微加工的圖示。以下是一些具體的例子：傳統的激光由于脈沖持續(xù)時間太長，遠大于材料的熱擴散，造成吸收的光速能量分散到周圍的區(qū)域，造成熱量散失。飛秒激光進行切割，幾乎沒

26、有熱傳遞。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員研究發(fā)現，飛秒激光束能安全地切割極其危險的高爆炸藥。在生物醫(yī)學方面，不少醫(yī)學專家已將它作為超精密外科手術刀，普遍用于視力矯正，既能精度準確又能減少組織損傷還不會留下后遺癥，甚至可用于基因療法，或者對單個細胞動精密手術。那準分子激光是怎么工作的？兩者有什么區(qū)別呢？準分子激光與生物組織相互作用時發(fā)生的不是熱效應，而是光化反應。所謂的光化反應，就是指組織受到遠紫外光激光刺激時，將會斷裂分子之間相互作用的結合鍵，將組織直接分離成揮發(fā)性的破碎片然后就會消散無蹤?？梢詼蚀_地消融眼角膜多余部分，而且對周圍其他組織沒有影響，從而達到對眼角膜重塑的目的。最重要的是

27、它的波長短，不會穿透人的眼角膜，因此對眼球內部以及周圍的組織沒有任何不良副作用。而飛秒激光是通過激光來完成對角膜瓣的制作。飛秒激光對于角膜瓣制作的精確度要求控制在1015微米之間，由于精確度要求較高，普通的板層刀根本無法完成。飛秒激光手術不受角膜曲率的影響，而且術后的視覺恢復質量會更好。對于患者來說，無論低風險、高精確度、痛苦程度小還是術后恢復質量都是至關重要的。這樣的標準無疑是為飛秒激光量身定做的。 圖3長脈沖激光加工過程 圖4飛秒激光微加工過程3飛秒激光微加工技術的簡述及其應用3.1飛秒激光微加工飛秒激光與先進的精密儀器制造技術相互相結合的產物即為飛秒激光微加工技術。加工微小尺寸零件的生產

28、加工技術即為微加工技術。從廣義的角度來講，微加工方法可以分為兩大類：傳統精密加工方法和非傳統精密加工方法。如技術，外延生產，微波加工，粒子束加工，體加工，技術等均屬于第二類。從狹義的角度來講，微加工主要是制造指半導體集成電路的技術，正是半導體集成電路的發(fā)展才得以帶動微細加工技術發(fā)展的。尤其是作為技術基礎的大規(guī)模集成電路計算機，是信息化和光電子時代的關鍵技術之一14。首先介紹下微細加工：1、的表示方法 在很小尺寸加工時，由于加工尺寸值太小，精度范圍就必須用尺寸的絕對值來表示，即用取出的一塊材料的尺度大小來表示，從而介紹加工單位尺寸的概念。 2、微觀概念 以剖切削加工為例，從加工物件的角度來講，切

29、屑的大小是一般加工和微加工的最大區(qū)別所在。一般情況下金屬材料是由微小的晶粒，晶粒直徑的范圍為百微米之內。一般的加工，精度要求很松懈，晶粒的大小可以忽略不計。由此可見微細加工與一般加工的機理和概念本質上還是有很大差別的。 3、加工特征 微型的機械加工技術，主要是為工業(yè)或者實驗室研究機械裝置的微細加工技術。微型機械屬于高科技領域，因此涉及到很多技術相互結合。微型機械之所以稱之“微”，就說明其系統的尺寸精度已經達到了肉眼不可見的境界，傳統的計量單位也已不再實用，變成了微米、納米級的了。飛秒激光具備極高的三維光子密度，不僅能夠對種材料實現逐層加工而且可以實現微量加工；用飛秒激光對材料進行加工處理，不僅

30、可以彌補現有的激光加工技術滯留的缺點，而且在此基礎上還可以精確技術精度，創(chuàng)新技術方法，提高品質；的熱影響區(qū)域(Heat affected zone)極小，由于時間脈沖短，幾乎不存在散熱問題，并且不存在連續(xù)激光加工或長脈沖激光中的等離子體屏蔽效應，所以飛秒激光微加工技術的能量利用率和加工精度都很高。當飛秒激光加工透明的介質材料時，加工過程不受介質材料本身的線性吸收系數的影響，而且對材料表面或內部不平整不敏感。此外，相互作用對象的角度來看，飛秒激光微加工技術主要原理是涉及多光子電離的過程，與傳統激光加工相比機理上是截然不同的?！凹庸ぁ倍衷陲w秒激光微加工中也可以理解成廣義性的。它并非只是我們所理解

31、的“機械操作加工”，可以是對物質其性質或者屬性的改變，或者是對物質內部微觀結構的控制、處理，原子水平或分子水平上的。飛秒激光微加工往往是在極短的時間、狹小的空間、和極端的（物理）條件下對物質進行加工的。飛秒激光微加工即為：“超微”與“超快”的組合，這也正是它的特點所在。飛秒激光超微細加工的獨特之處。大勢所趨，飛秒激光微加工是現在全球的激光以及光電子行業(yè)的先驅，一個大的前沿研究方向。可以這樣說，飛秒激光微加工技術是其他激光技術完全不在一個等級。飛秒激光除了加工材料以外，還涉及其他前沿、尖端的技術，由于其加工的精密度和利用率都非常高，現在在醫(yī)學上也是從炙手可熱。3.2飛秒激光微加工技術的特點由上述

32、可知，飛秒激光微加工技術就是先進制造技術尤其是微細加工技術與飛秒激光技術相結合的產物，根據1.1中列出的飛秒激光的特點，飛秒激光微加工技術具體特點總結如下15： 1、加工技術高分辨率，由于激發(fā)光的強度的平方值正比于材料發(fā)生雙光子吸收的概率，而飛秒激光又可以激發(fā)材料的雙光子吸收,光化學反應又是由雙光子吸收引起的，然后將被困在光強度很高的焦點內極小的區(qū)域內(該區(qū)域為入射激光的波長，體積的數量級為護)。其實，對于衍射極限的限制飛秒激光本身是突破不了的,但是在加工的時候借助了雙光子、多光子激發(fā),它比焦斑的作用區(qū)域小,這樣就可以在加工區(qū)域突破激光衍射極限的限制，從而大大提高了飛秒激光微加工技術的分辨率。

33、例如當入射飛秒激光經過聚焦后的強度包絡如圖5（a）中的虛線所示時，其相應的光斑直徑（FWHM值）為d0=1m，則加工過程中的4光子吸收包絡為圖中的點化線所示。如果控制激光脈沖能量，使得中心強度的70%剛好滿足4光子吸收閾值，則相應的加工范圍直徑約為d1=0.35m。事實上，這個非常有限的作用區(qū)域可以得到進一步減小。若激光束聚焦后的衍射極限光斑直徑約為1m,如圖5（b）展示了對不同的多光子吸收過程，通過不斷地降低光束中心強度，相對提高多光子吸收閾值，則實際加工區(qū)域范圍小于0.1m,僅為原始光斑的十分之一。這對于長脈沖加工系統來說是不可思議的！因此飛秒加工可以突破光束衍射極限的限制，實現尺寸小于波

34、長的亞微米或納米操作。 2、熱影響非常小，飛秒激光的持續(xù)脈沖時間特別短,所以它的微加工作業(yè)時間也是定量在飛秒級的時間范圍內的。飛秒激光在極短的時間使電子溫度升高到標準要求，此時能量轉移時只需要考慮電子受激的吸收,并沒有熱能的儲備和熱能的擴散，在附近的材料還未來得及消耗熱能的時候，作業(yè)過程就已經結束,所以它的熱能擴散幾乎沒有，基本不受影響。這里幾乎可以完全忽略長脈沖激光帶來的熱影響區(qū)的材料熔融在。飛秒激光可以精確地將作業(yè)區(qū)域控制在激光焦點處,整齊精確的加T邊緣，很大程度上提高了加工精度。3、應用范圍廣泛，飛秒激光在很多領域都有涉及。所以它接觸很多各種類型的材料。比如工業(yè)上的：金屬、高分子材料；生

35、物上的：生物組織、透明材料、甚至與軍事上的爆炸性材料。這就要求它具有廣泛的應用范圍。由于飛秒激光微加工技術的這些特點,以及很多飛秒激光器的實用化和小型化，使得人們越來越普遍的將飛秒激光微加工技術應用到微系統中。而且，飛秒激光進行微加工有固定的加工閾值，加工與否有著明顯的區(qū)分，因此加工過程重復性好。這也在一定程度上節(jié)約了成本，降低了損耗。上述三個飛秒激光微加工的特點都是從飛秒激光的特性的基礎上得出的，即正是由于飛秒激光的特性，飛秒激光微加工才具有上述的特點。正是這些特點，才使飛秒激光微加工技術得到教育界、科研界以及醫(yī)學界的廣泛重視與研究。圖5飛秒激光微加工突破光束衍射極限的限制 3.3飛秒激光微

36、加工技術與其它微加工技術的比較 飛秒激光具有極窄的脈沖寬度，脈沖持續(xù)時間特別短，非常低的脈沖能量就能達到特別高的功率密度，飛秒激光的加工機理與傳統的長脈沖激光加工不一樣，差別的關鍵就是多光子效應的存在。采用飛秒激光微加工技術作用于材料與其它微細加工技術相比有以下優(yōu)勢：1、加工孔徑的熔融區(qū)很小或者幾乎沒有。晶格熱傳導時間遠遠大于飛秒激光的持續(xù)時間，在其與物質相互作用的過程中時，其能量吸收完全嚴格限制在標準的極小范圍內，飛秒激光在極短的時間使電子溫度升高到標準要求，使物質完成由固態(tài)轉變?yōu)榈入x子態(tài)，迅速脫離加工體時的狀態(tài)為噴射形態(tài)，這時其附近區(qū)域的物質仍然處于“冷狀態(tài)”。所以飛秒激光不僅能夠很好的克

37、服熱擴散的方面的弊端16，而且與長脈沖相比較而言，其作用的物質的邊緣極其精確和整齊。2、可以實現多種材料，如金屬、透明材料內部、半導體、甚至生物組織等的微機械加工、雕刻及健康修復或重生。3、突破衍射極限、加工區(qū)域可以小于聚焦尺寸等。由于受到衍射規(guī)律的限制，對于一般激光加工來說，其橫向尺寸大于激光的波長。對于飛秒激光微加工來說，其峰值功率極高，在和物質相互作用時是多光子過程圖6（b），而不是單光子過程圖6(a)。所以即使飛秒激光也受到衍射規(guī)律的限制，其焦斑尺寸不可能大于等于半個波長。最終，具有高斯橫向分布的飛秒激光光束和物質相互作用時是遠遠小于光斑，而不是在整個焦斑范圍內，因此加工尺度可達1/2

38、0波長，即數十納米 1720。4、對環(huán)境沒有特殊要求，無污染。飛秒激光加工技術與其它微加工技術相比較有著較為顯著的優(yōu)勢，在越來越多的領域應用到，目前處于其發(fā)展的上升期，而且還有很有領域有待于深入開發(fā)研究。圖6單光子（a）與雙光子（b）激發(fā)過程示意圖3.4飛秒激光微加工技術的應用飛秒激光微加工技術具有作業(yè)能量高度聚集 、散熱效應好、無熔渣無飛濺、對外界環(huán)境要求低、聚合雙光子加工精度可達 0.7 m21、幾乎無需后續(xù)工藝等優(yōu)勢 。由上述可知飛秒激光微加工技術的應用范圍是極為廣泛的，綜述其特性，以下詳細的介紹其在雙光子聚合（包括3D結構制作）、光通訊器件、各種材料的微加工、納米顆粒制備以及生物醫(yī)學等

39、領域的微加工應用。近年來，微納米加工技術的主導一直是光刻技術，并且一直處于統治地位。但是目前三維結構的市場擴大，傳統單光子平面曝光的光刻技術已經不能滿足大眾的需求。一般的二維結構制作，需要光束掃描，由光束焦點經過才會起到作用，然后重復得到第二層結構，再相互作用即可得到三維結構。受到經典光學衍射極限的限制，普通光刻技術的加工分辨率太低，為了提高分辨率,光刻技術也在不斷發(fā)展，從使用光束的波長到加工方法逐一改進。普通的激光刻蝕也發(fā)展到電子光束刻蝕、離子光束刻蝕、X 射線刻蝕以及納米圖形轉印等方法。但是由于技藝繁瑣，所以近年來,多光束干涉大量運用到制備較大型的規(guī)律性的二維及三維結構如圖7所示。圖7飛秒

40、激光多光束干涉微加工示意理論計算表明, 只要選擇適當入射角方向、光束數量及相位等條件，多光束干涉可以實現所有的周期性晶格結構，但是對于任何復雜程度的納米尺度結構的加工,傳統的光刻技術及多光束干涉都沒辦法。集三維圖形 CAD制作技術、顯微技術、超高精度定位技術、超快激光技術及光化學材料技術于一體的新型微加工技術飛秒脈沖激光雙光子微納加工技術,具有高得分辨率、成本損耗低、簡單操作、真正的三維等特點。本文對這一技術的原理、材料、加工方法、分辨率進行介紹。1、雙光子聚合在業(yè)態(tài)的單體聚合物中聚焦后的飛秒激光可以誘發(fā)雙光子的聚合反應，可以形成一部分亞微米量級的微結構。如圖9是雙光子聚合加工系統光路圖。由于

41、激光功率的平方正比于雙光子吸收幾率，在激光焦點附近極其小的范圍之內才會發(fā)生光聚合作用。激光束掃描過的區(qū)域會形成固定化的基本骨架結構，消除未經固化的液態(tài)樹脂后這些結構仍然不會消失，這種方法非常適用于制作三維立體微結構。雙光子聚合技術是利用掃描技術控制焦點得以制備出三維結構。圖8為飛秒激光三維微細加工示意圖。同時微結構制備的加工精度和加工速度是由掃描技術決定的?，F在有兩種加工方法，同時,掃描技術也決定了微結構制備時的加工精度與速度。目前常用的掃描方式有兩種一種是單點掃描式加工；一種是并行式加工，以圈圈表示掃面途徑。如圖4所示：圖8飛秒激光三維微細加工裝置示意圖圖9雙光子聚合加工系統光略圖 單點掃描

42、式加工單點掃描也叫點點掃描，一般來說，單點加工掃描方式適用于三維移動臺，因為壓電微移動臺有精確到1nm的精度，所以這種掃描方式可以提高加工精度到納米量級，加工速度可以通過控制不同方向掃描的點間距。一般的大位移的三維壓電微移動臺因為自身慣性較大，響應時間較長，通常都會通過縮短兩點之間的距離從而保持結構的光滑度，所以設備加工任意結構耗費的時間比較長，如圖11（a）所示的納米牛結構長10m、高7m，共花費了3h。并行式掃描加工并行式加工也叫線段掃描。利用二維振鏡響應時間很快，轉動慣量很小，所以對于任意復雜結構，只要選擇線段長度不會影響結構精度，為了能夠快速實現微結構的制備，我們采取并行式加工掃描方式

43、。我們用此方式制作的二維實驗室圖標、三維千里馬結構、金剛石的光子晶體結構分別如圖11（b）(d)以及由飛秒雙光子聚合原理制作的微型恐龍和蜘蛛模型如下圖12所示，其掃描速度可達到100m以上。圖10種不同的掃描方法（a）單點掃面加工（b）并行式掃描加工圖11雙光子聚合方法制備的各種二維及三維微結構（a）三維“納米?！苯Y構，（b）二維圖標，（c）金剛石光子晶體，（d）三維千里馬圖12（a）TPP加工的微小蜘蛛和（b）恐龍模型的掃描電子顯微鏡圖基于雙光子聚合的特性，將它引用到在生物領域也是一個不錯的選擇。與傳統激光加工相比，飛秒激光微加工技術是一種新型的技術，也有著獨特的優(yōu)勢。雙光子聚合基于飛秒激光

44、的加工技術不僅可以實現納米精度的快速制備，而且也可以單次掃描材料，此外結構的數值也可以調換。具有這種特性的飛秒激光使得材料的空間結構具有一定柔性,也可以在支架表面引入了納米結構 ,提高其表面能。從而使支架的親水性和浸潤性得到改善, 有利于細胞的再生長與黏附。在這一特性的基礎上，將其與生物材料相結合在細胞黏附、遷移等的研究上就能有更好的應用。例如：飛秒激光雙光子制造技術應用于生物器件微井陣列，用ORMOCER 材料制作的三維支架因其具有生物相容性的，可在組織工程領域使用。如下圖13(a)所示是制作的微型井結構的示意圖 ,采用 NA =1.25(油鏡)的聚焦物鏡 ,加工功率為110mW ,加工速度

45、為100m/s ,微結構的尺寸為100m100m ,共包含了100個微型井結構 ,每個微格面積為10m10m ,激光多次掃描獲得微格線條，中心線寬約2.0m ,格高約6m 。圖 13(b)是生物器件微井陣列邊緣圖示，圖示可以看出上窄下寬是微井壁結構特點。改變加工參數,可制備出形貌、尺寸不同的微陣列表面。此器件也可以用作細胞培養(yǎng)或者其它用處的微型器皿。圖13生物器件微井陣列（a）及其邊緣（b）2、光纖器件的飛秒激光微加工光纖F-P傳感器是一種很有應用前景的光纖傳感器,近些年來,利用飛秒激光獲得光纖F-P傳感器作為一種制作工藝，在石油化工、民用工程和醫(yī)療器械等領域的應用，在研究人員的視線范圍，光纖

46、F-P傳感器一直作為研究熱點。早在2010年，上海大學的王廷云等人22利用 800nm 的鈦藍寶石飛秒激光在單模光纖上制作了頻率為1KHz至5KHz、脈沖持續(xù)時間120fs性能優(yōu)良的F-P光纖傳感器,另外, Wei T.等人19采用波長為800nm 的飛秒激光在單模光纖上制作了開腔型的F-P光纖傳感器頻率為1KHz、沖寬度為120fs ,其結構如圖1所示,其中圖1(a)是原理圖、圖1(b)是FP腔的俯視圖、圖1(c)是FP腔的橫截面圖,而且基于飛秒激光制作的光纖F-P傳感器也有較好的應變響應特性，如圖14所示。圖14F-P光纖傳感器應變特性飛秒光纖光柵是一種性能很好的濾波器,經常被應用于光纖放

47、大器中的增益均衡、光開關、激光器、全光波長變換器、波分復用器、光分插復用器以及光交叉連接器等光纖傳感和通信器件領域,有預測說光纖光柵將引起光纖技術乃至整個光電子技術領域的重大變革。隨著飛秒激光微加工技術研究的進一步深入,現有光纖光柵制造工藝將一步步被飛秒激光所代替，并且將光纖光柵的制造工藝推向一個新的高峰，發(fā)生質的變化，(不再需要昂貴的光敏光纖和掩模板), 光纖光柵的工作性能也將會有顯著的提高?，F在我們以飛秒激光微加工制作雙包層光纖光柵為例詳細了解下。 飛秒激光微加工方法與傳統制作光柵方法物理機制不同，所以使用飛秒激光光源刻寫光纖光柵到雙包層光纖內引起了人們極大的研究興趣。此外，這個方法不需要

48、特殊的光敏光纖，即使是在普通光纖內也能制作出性能很好的光纖光柵。傳統方法是基于光纖的光敏性，而飛秒激光微加工方法是由多光子電離和非線性吸收和引起的，形成的光柵熱穩(wěn)定性高、折射率調制大。摻稀土離子的光纖是光纖激光器增益介質的首選。而這些光纖采用的是鋁硅酸鹽玻璃，它們具有較低光敏特性的，因此傳統光纖光柵的制作方法受到限制。但是飛秒激光微加工技術不受到次此限制。如圖15就是基于飛秒激光微加工制作的雙包層光纖光柵的實驗示意圖，有一個顯微物鏡將紅外飛秒激光聚焦到光纖纖芯上，光一個具有高精度的二維移動平臺上固定這一個光纖，在計算機的控制下該平臺由步進電機驅使著做精準運動。以光纖軸為中心，平臺以一個恒定的速

49、度移動，通過改變光束焦點和光纖的接觸部分，在光纖纖芯處每一個脈沖都對應一個光柵溝痕，如果想得到不同光柵周期的光纖光柵，只需要調節(jié)平臺移動速度即可。這一技術無論是在裝置上還是實際操作中都比傳統的方法簡單實用。首先，它對材料的要求不高，不一定非要光敏光纖，用普通光纖上也可以制作高質量光纖光柵，并且光纖光柵的各種參數可以通過調節(jié)步進電機傳動速度實現，有顯著的靈活性。然后，整個過程耗時很短，與傳統方法相比具有很大的優(yōu)勢。其次，此法簡單容易操作，不需要外部光束。注意：當然這種方法也存在一些技術上的要求：（1）需要復雜的聚集光學系統將激光精確地聚集到一點，要形成一定大小的聚集點，要使相鄰光柵兩個折射率相聚

50、始終，否則會造成重疊，影響光柵的質量，尤其是在制作周期較小的光柵時。（2）為了確保光纖沿軸向保持勻速運動，步進電機及其傳動機需要達到一定的要求精度。圖15飛秒激光微加工制作雙包層光纖光柵的示意圖3、金屬材料的飛秒激光微加工 飛秒激光在金屬微加工應用和精細加工方面都取得了很大的進展。由于飛秒激光具有超短脈沖、超高峰值功率以及高達1022W/cm2等特性,有實現非熱熔性的“冷”加工的技術能力。自從飛秒激光首次應用于材料微加工以來,飛秒激光的微加工質量很高,在其他領域也有了廣泛的應用，所以在金屬材料的微加工方面研究人員也開展了深入的研究,(1)孔加工在1 mm厚的不銹鋼薄片上,飛秒激光進行了具有表面

51、干凈、深孔邊緣清晰等特點的納米級深孔加工(如圖16a)；在金屬薄膜上,飛秒激光在鈦寶石加工制備出了微納米級陣列孔(如圖16b), 孔徑最小達2.5m,最小間距可10m,孔直徑在2.510m間可調,很容易實現1050m間距調整，精度較高。圖16為不銹鋼薄片上的深孔（a）和金屬薄膜上的微納米級陣列孔（b）Chichkov B.N.等人23分別將皮秒、納秒和飛秒激光脈沖聚焦到金屬材料表面(銅板和鋼板),并對比了它們的微加工的成效,結果顯示飛秒激光加工的邊緣光滑齊整,不存在金屬熔化、濺射痕跡,比納秒、皮秒激光加工的邊緣好很多 , 如圖 17、圖18 所示 ,對比納秒、皮秒和飛秒激光加工的金屬表面。20

52、03年,Kamlage G .等人24采用脈沖寬度為150fs的飛秒激光在不銹鋼薄片上實現了深孔的微加工,結果顯示在不銹鋼板上加工出來的深孔邊緣清晰光滑,質量很高,如圖19所示。國內學者在金屬材料的飛秒激光微加工方面也開展了大量的研究工作25-27。圖17納秒（a）和飛秒（b）激光對鋼片的加工圖18納秒激光（a）和飛秒激光（b）對CVD金剛石的切割處理圖19飛秒激光在不銹鋼板上鉆孔后的SEN圖（2）金屬材料表面改性1999年,德國漢諾威激光中心Nolte S等人首次報道了結合鈦寶石飛秒激光三倍頻光(260nm)和SNOM(掃描近場光學顯微鏡 )在金屬鎘層制出了線寬僅200nm的凹槽28。為以后

53、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70nm29的空間分辨率,開拓了遠場技術在納米范圍下的物理化學特性以及輸運機制的研究 。（3）金屬納米顆粒加工自1993年Henglein A等人首次使用激光消融法得到金屬納米顆粒以來,許多研究小組致力于制備出粒度分布均勻、純度較高的金屬納米顆粒30。Link H等人為了將金屬納米棒完全融化為金屬納米點31，從而進一步控制飛秒激光的照射時間和能流密度。除此之外,飛秒激光還可以改變的金屬顆粒的特定形狀和尺寸大小,使金屬納米顆粒(尤其是Au、Hg、Pt、Pd等)在化學催化、醫(yī)用材料科學以及非線性光學等領域具有較好的發(fā)展趨勢

54、。（4）金屬掩模板加工 新加坡南洋科技大學Venkatakrishnan K等人利用飛秒激光使用直寫方法制作了石英為基底的金屬掩模板、以金屬薄膜為吸收層 ,并且分別比較了前入射與后入射兩種方案,發(fā)現能夠得到好的邊緣質量和更小的特征尺寸是前入射的方法32。并且利用飛秒激光超衍射極限加工的特性，能夠很好的修補了金屬鎘掩模板的缺陷,修復的線寬精度可達到100nm內。（5）復雜的微結構加工耐熱玻璃上的水渠道結構(圖 20),邊緣質量較好。但是它的表面和底端形態(tài)以及結構的精確性還不太好。1997年,Liu X等人對比了飛秒激光與傳統激光的鉆孔效果,發(fā)現利用飛秒激光對不銹鋼的表面進行鉆孔,效果好。圖20耐

55、熱玻璃上深4m的水渠道結構4、飛秒激光微加工在生物醫(yī)學領域的應用具有損傷小、能量消耗低、精度高、空間三維定位等優(yōu)點的飛秒激光可以在一定程度上滿足生物醫(yī)學的特殊要求。特點如下：手術風險低,可對同一患處進行多次手術,治療愈合周期短;相比傳統手術刀,醫(yī)源性感染少;“全激光”手術,無刀勝有刀,精確度高;無痛,無并發(fā)癥 。目前，在生物醫(yī)學實踐中，飛秒激光僅作為為一種外科手術工具之一,應該繼續(xù)推廣其應用范圍，在醫(yī)學診斷、蛋白質分析、細胞以及生物活體的培養(yǎng)等方面也要有所建樹。目前,在此方面取得的研究進展有:在牙齒、隱形眼鏡上鉆孔33,邊緣干凈、無損傷;非熱性手術切割燒蝕腦組織樣品34;納米切割人體染色體39

56、;制作血管支架力學性能好,可望解決血管再狹窄問題,即治療冠心病;飛秒激光飛行質譜DNA排序37;飛秒激光激發(fā)的熒光顯微術對小鼠植入前胚胎內細胞中的鈣信號和染色體實現真正的三維、四維實時成像38等。最具有現實意義的是美IN-TRALASE公司的 Intralase飛秒激光,可以按任何角度、形狀設計制作光滑而且厚度均勻一致的角膜瓣 ,精確到10m36。至Intralase飛秒激光的 LASIK手術已經超過30萬例,臨床統計它的精度要超過傳統角膜刀 100多倍。Intra Lse“飛秒激光”的出現 , 使人類第一次在眼角膜手術上離開了手術刀,真正實現了“全程無刀手術”?，F在科研者正努力將其用于青光眼

57、及白內障等手術中。此外,飛秒激光微加工技術在一些特殊領域具有廣闊的應用前景 :鉆孔、切割高熱導性 、高熔點金屬(如錸、鈦等)和高硬度金剛石。安全切割一些高危險物品如:LX-16、TNT、PETN、PBX等,如圖21避免了長脈沖激光線性吸收、能量轉移和擴散等的影響,斷面處沒有炸藥熔化和反應的痕跡。但在研究切割雷管時,由于熱感度較高,處理過程中發(fā)生了爆炸40, 應該深入研究分析,使之能夠被安全切割。利用飛秒激光觀測分析物理化學反應本質 ,有望控制核聚變,以獲得可控的無污染核聚變能源。將光頻與波頻聯系起來的飛秒光梳技術,為更精確的頻率機構光鐘的誕生鋪平了道路。圖21納米激光（a）和飛秒激光（b）對爆

58、炸物品的切割處理 當然飛秒脈沖激光微加工技術是當今國際相關領域中一個極為引人注目的前沿研究方向,具有十分誘人的開發(fā)和應用前景。然而飛秒激光微加工技術也是一種全新的材料加工與器件制備相結合的技術,可以說目前還處于起步階段遠，未達到成熟的地步，尚有許多問題厄待研究與解決。根據資料和數據顯示目前國際上相關的研究結果以及相關課題組進行相關研究工作的領悟,在今后的研究重點與發(fā)展方向和需要解決一系列的關鍵技術問題上，我有以下幾個觀點：（1）目前沒有形成任何一套完整的理論說明來解釋，在超快、超短、超強的極端條件下,飛秒激光與物質之間的相互作用機理；(2)加大對生產飛秒激光器、微加工系統的投資力度,盡量縮小其

59、體積；提高工作效率、改善其微加工的工作環(huán)境,延長機器的工作壽命等；(3)針對被加工材料的屬性和飛秒激光微加工技術的特性,設計模型的軟件,實現對加工過程模擬和仿真,實現最佳參數加工，降低失誤與減少誤差；(4)飛秒激光微加工應用現階段都只局限于實驗室階段,大規(guī)模的應用很少。應該盡快探索其產業(yè)化模式開發(fā)適用于產業(yè)化、商業(yè)化的飛秒激光微加工體系。(5)降低加工成本,既能滿足市場需求，又能實現高效率生產。堅信隨著工業(yè)需求的擴大和技術的進步,飛秒激光微加工技術將會變得越來越成熟,它將會不斷地開辟新的研究領域,具有廣闊的應用前景。隨著激光技術的深入研究與發(fā)展,尤其是自鎖模技術和可調諧晶體的成熟應用,世界各國

60、的越來越多的發(fā)展目光和人力物力資源投入到飛秒激光微加工技術的相關研究中去，很多研究機構也在慢慢創(chuàng)新，并且力求突破此技術的瓶頸。飛秒激光微加工技術面臨的關鍵技術問題一定能夠迎刃而解,飛秒激光微加工技術的新的研究分支和開發(fā)應用領域一定會一鳴驚人,并且具有很大的應用前景,解決一些在環(huán)境 、能源、材料 、航天以及國防安全方面國家急需解決的難題；毋庸置疑,隨著飛秒激光與物質之間相互作用機制的理論完善和飛秒激光微加工技術的快速發(fā)展,以及商業(yè)化工業(yè)生產量的大量增加,商業(yè)化的飛秒激光微加工技術又會迎來新的春天。4總結及展望4.1本論文的主要內容本論文的內容主要有以下幾點：研究飛秒激光微加工技術的特點、優(yōu)勢；飛