新一代飛秒激光在超精細冷加工中的新應用

原中國航空精密機械研究所 （北京 100076）榮烈潤

1.概述

飛秒激光技術是隨著鎖模技術發展起來的，1965年人們首次利用被動鎖模技術在紅寶石激光器上直接產生了皮秒（ps=10－12s）脈沖，隨后1976年利用對撞鎖模技術實現了0.3ps激光輸出，1981年美國貝爾實驗室Fork.R.L.等首次利用對撞鎖模原理獲得了飛秒（fs=10－15s）脈沖。從此激光技術進入了飛秒時代。但由于當時產生飛秒激光器的染料激光器結構復雜，所以其操作性差，并且實現小型化和應用化困難。

20世紀80年代出現了以摻鈦藍寶石（Ti：sapphire）晶體為代表的多種性能的固體激光晶體（輸出波長約為800nm），為飛秒激光器的固體化、實用化奠定了基礎。到了20世紀80年代末期，開發出的鈦寶石（增益介質）具有極佳的物理性能，為非常寬的發射帶寬，增益帶寬達到230nm，理論上可獲得3fs脈沖輸出，在超短飛秒脈沖激光器中發揮了重要作用。

2.加工特點

飛秒激光的加工機理與普通的長脈沖激光（CO2激光、Nd:YAG激光）加工不同，它能以極快的速度將其全部能量（最大峰值功率可達1 012W甚至1 015W量級）注入到很小的作用區域，瞬間內產生的高能量密度（其峰值功率密度達到1 022W/cm2以上）的沉積將使電子的吸收和運動方式發生變化，可以避免線性吸收、能量轉移及擴散過程等的影響，從根本上改變了激光與物質相互作用的機制，使其在處于當今技術前沿的超快激光精細冷加工方面擁有獨特的優勢及廣泛的應用前景。這種具有高精度、超高空間分辨率及超高廣泛性的冷加工過程，使飛秒激光在微電子、光子學和MOEMS（激光機電系統）等高新技術領域中應用前景巨大。

準分子激光雖然與飛秒激光一樣均可以進行表面微加工，但準分子激光加工有其固有的缺陷，對加工對象依據波長對材料有選擇性，加工處理的材料與范圍受限制（這是由于其加工過程基于材料對光子的共振吸收造成的）。另外，準分子激光由于激光輻射可被透明材料表面吸收，故只能進行表面微細加工。而飛秒激光不僅能進行表面微細加工，而且可在透明材料內部進行加工。且飛秒激光加工尺寸更小，加工精度更高。

與常規激光相比飛秒激光的超精細冷加工具有以下幾個特點。

（1）加工尺寸小，可實現超微細（亞微米至納米量級）加工。一般激光加工區域的橫向尺寸要大于激光波長尺寸，這是由于受到衍射極限的限制造成的。盡管飛秒激光的聚焦光斑尺寸也不可能小于半個波長，但飛秒激光由于峰值功率極高，與物質相互作用不是單光子過程，而主要是多光子過程。如果通過調節激光入射能量，則能使加工過程的能量吸收及作用范圍被局限于焦點中心位置的很小一部分體積內，而不是整個聚焦光斑輻照的區域，這時加工尺寸可遠遠小于聚焦光斑尺寸，突破了光束衍射極限，達到亞微米甚至納米級。

（2）加工熱影響區小，可實現高精度的非熱熔性加工。由于飛秒激光可以在極短的時間和極小空間范圍內以極高的激光功率密度作用于材料，在沒有熱擴散的極短時間內使電子溫度達到極高，使物質從固態瞬間變為高溫、高壓的等離子體態，迅速的噴射形式脫離加工基體，其周圍物質仍處于“冷狀態”，因此與長脈沖激光加工相比，飛秒激光沒有熱擴散，加工邊緣整齊及加工精度高，實現了所謂的“非熱熔性”加工。

（3）能克服等離子體屏蔽，具有穩定的加工閾值，加工效率高。在長脈沖激光加工中，由于入射激光會被等離子體吸收與散射，造成激光與材料耦合效率的減弱，等離子體屏蔽是一個重要問題。而當采用100fs超短脈沖激光加工時，在等離子體臨界密度達到之前，脈沖能量已經結束沉積，即在等離子體向外膨脹之前，飛秒激光的輻射已經結束，這樣就避免了等離子體屏蔽的出現，有利于提高飛秒激光的能量耦合效率，從而也提高了飛秒激光的加工效率。此外，在長脈沖激光加工中，激光加工的穩定性常常受到材料摻雜及缺陷的影響。而飛秒激光加工材料時，由于多光子電離作用，材料的摻雜和缺陷對激光燒熔閾值影響很小，所以能使加工閾值更趨穩定。

（4）可實現精密的三維加工。聚焦強度位于燒熔值附近的飛秒激光束可以毫無衰減地到達透明材料內的聚焦點，并在聚焦點可以獲得極高的激光功率密度，產生多光子吸收及電離，使飛秒激光加工過程具有嚴格的空間定位能力，實現透明材料內部任意位置的三維超精細加工。

（5）加工材料范圍廣。由于多光子吸收（非共振吸收）及電離閾值僅與材料中的原子特征有關，而與其中的自由電子濃度無關，因此飛秒激光可對任何材料實現精細加工，而與材料的種類及特性無關。飛秒激光可以精細加工光學玻璃、陶瓷、各類電介質材料、各種半導體、聚合物以及各種生物材料乃至生物組織，特別是對熔點相對較低，且易產生熱擴散的金屬材料進行精細加工，飛秒激光以其“非熱熔性”的“冷”加工，展示出它的極大優勢和廣闊的應用前景。

3.加工系統

圖1 飛秒激光微加工系統光路示意圖

圖1為飛秒激光微加工系統光路示意圖。飛秒激光器輸出的超短脈沖激光束，通過一個半波片與格蘭棱鏡可調節激光脈沖能量；利用光闌去除光路中的雜散光，提升光束質量；采用機械快門來控制曝光脈沖數。加工試樣放置在三維數控精密移動工作臺上，飛秒激光束經全反鏡反射和顯微物鏡聚焦后垂直照射在試樣表面，由計算機精確控制樣品的移動，完成激光掃描加工。通過與顯微目鏡相連的CCD實時觀測飛秒激光的燒蝕過程并可拍照記錄。

4.利用飛秒激光實現超精細加工

自從飛秒激光開始用于材料加工以來，由于其獨特的加工優勢，獲得了國內外學者的極大關注。并已廣泛開展了飛秒激光對玻璃、陶瓷、金剛石、半導體、各種聚合物與金屬材料的微細加工研究。

（1）打孔：1996年，Chichkov BN 等進行了飛秒、皮秒、納秒激光脈沖對鋼片進行打孔的對比試驗，結果顯示用飛秒激光加工的金屬表面沒有熔化痕跡，孔的四周邊緣呈現光滑、清潔，沒有飛濺物，如圖2所示。

圖2 飛秒、皮秒、納秒打孔對比

2003年，Barsch N等進行了飛秒激光在半導體材料表面打孔、切割、開槽的微細加工研究。圖3為采用飛秒激光在500μm厚的硅片上加工的微孔和微齒輪。

圖3 飛秒激光在硅片上加工的微孔和微齒輪

為了減少光電倍增管的尺寸，德國研究人員已成功地采用飛秒激光在7μm厚鎳箔上加工出了光電倍增管的六角篩網結構，其加工的六角形篩網最小尺寸可達10～20μm，而且可以在較大直徑（12mm）上加工。

2003年，Chichkov采用150fs飛秒激光在1mm厚的不銹鋼進行打孔試驗，獲得了極好的微加工質量。并對高能量密度飛秒激光打深孔的加工機理進行了研究。

2004年， Simon等采用飛秒激光在不銹鋼和金屬鈦薄片上制備出由亞微米小孔構成的規則圖案。

2005年，Zheng HY等采用飛秒激光在藍寶石晶體表面制作出了亞微米圖案。

（2）切割：由于飛秒激光在激光作用區瞬間上升溫度極快，等離子體的形成使物質去除的速度加快，且加工時的輸入能量小，作用區周圍呈現冷態，所以飛秒脈沖激光常被用于加工易爆易燃物，對易爆裝置進行切割加工，拆除炸彈、雷管等。如用長脈沖切割加工，可能會造成點燃爆炸，對操作人員有安全危害。

當脈沖能量較大時，飛秒激光可用于導線外部絕緣層的無刻劃痕要求的細導線的剝線。這在軍事和航空航天工業中是一項非常重要的應用。如采用機械方式很易弄壞導線。若在顯微鏡下手工操作，則過程單調易使操作者失誤。通過使用CCD成像光學觀察系統及數控精密移動設備，并引用兩束分成180°角的光，則可以獲得精確的激光剝線效果。

（3）直寫與制作：①制作光波導。飛秒激光制作光波導和光耦合器對基片材料的選取無嚴格的限制，可以是硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、非線性晶體等。光波導也可以位于材料內部的三維空間的任意位置，而且還可以制作任意形狀的二維波導和三維波導、分束器等光子器件，這在光通信（集成光學）方面有很大的應用前景。日本利用再生放大的鈦寶石飛秒激光在各種玻璃上加工了光波導。美國哈佛大學將直接聚焦沒有放大的飛秒激光脈沖（輸出能量為納焦耳），在玻璃上加工（寫入）光波導，大大提高加工速度并降低了加工成本。德國利用飛秒激光在SiO2內獲得了2.5cm長的光波導，對待輸出光損耗可低 1dB/cm。并可以通過控制寫入速度來控制光波導的模數目。利用飛秒激光已在磷酸鋁玻璃中寫入了橢圓形波導。②制作微光柵。多年以來，人們一直在利用各種方法研究提高光柵的各種性能。由于飛秒激光對物質進行處理的過程具有熱作用區域小、加工精度高和作用時間短等優點，因此成為制作高性能光柵的新工具。采用飛秒激光制作納米級光柵結構國內外均有報道。為800nm飛秒激光在BBO晶體表面刻寫的衍射光柵；用重復頻率為200kHz的飛秒激光在熔融石英中制作了透射式相位光柵；利用790nm波長，150fs的飛秒激光在平面硅片內部制作了衍射光柵；上海光學精密機械研究所采用飛秒激光在硅玻璃面刻劃出了達曼光柵，并具有良好的衍射效果。近年來，用飛秒激光制備微納米周期結構的研究已成為飛秒激光超精細加工應用技術的又一重要方向。

（4）三維微制造技術：飛秒激光制作聚合物材料的三維微結構。聚合物與高分子材料由于具有很強的可適應性及熱穩定性，所以在許多領域有很重要的應用，某些高分子材料還具有很好的生物相容性與可降解性，在生物醫學上是人體的首選材料，為此聚合物與高分子材料的精密微細加工與制造具有特別重要的意義。為用飛秒激光制作高分子材料醫用微型支架。

飛秒激光聚合物微細加工方面有兩種加工機制：雙光子聚合制備三維微細納米結構和激光燒蝕微細加工。飛秒激光雙光子（或多光子）聚合物微納米制作技術同其雙（多）光子作用的完全光強依賴性，可以加工遠小于衍射極限的微結構甚至是納米結構。2001年研究人員利用雙光子聚合物獲得長10μm，高7μm，最細微部分的尺寸為120nm的各種姿態的“納米牛”。2004年Deube等采用飛秒激光直寫技術在SU8上加工了40層的三維光子晶體，光子晶體的禁帶范圍為（1.3～1.7）μm。2003年，Serbin等采用飛秒激光雙光子聚合在無機/有機混合材料上，得到了結構尺寸小于200nm，周期為450nm的三維光子晶體結構。

飛秒激光制作微光結構。除了利用飛秒激光制作微光波導、微光柵外，還可制作反射鏡、微透鏡、微光分夾鏡以及菲涅爾波帶片等。2003年，Cheng等在一種商用玻璃中寫入一個包括三個微反射鏡的復雜的三維光學元件，組成了一個微型光路。2006年，Cheng等采用飛秒激光在感光玻璃上加工出了圓柱微透鏡和半球形微透鏡。

飛秒激光制作三維微機械零件。采用飛秒激光可制備三維機械零件。圖4為用飛秒激光制作的微型懸臂梁，另外利用飛秒激光已制作出不銹鋼微齒輪。

圖4 飛秒激光制備的微型懸臂梁

只有精度更高的飛秒激光微細加工系統可以實現真正的NEMS（納米電子機械系統）。因為飛秒激光在加工投射介質時其優勢特別明顯，它應用于三維微細制作系統有著獨特的優勢。現在商業化飛秒工作臺不僅可在玻璃中制作無源或有源波導，還可以制作高質量射流微通道。此種加工技術將在微流系統制作及光通信元件工業中起著重要作用。相信隨著研究工作的深入，飛秒激光三維微制備技術在微電子、計算機、光通信、生物醫學等高新技術領域有著廣闊的應用前景。

（5）特殊材料的飛秒激光微細加工。由于非晶合金有著許多優良特性，所以在當前發展極快的MEMS（微機電系統）領域，被認為是新的極具前途的材料。國內外都在研究采用飛秒激光加工非晶合金。另外，也在研究采用飛秒激光燒蝕鈮酸鋰晶體。因為它的優良性能成為集成光波導材料中最具有應用潛力的晶體材料。它可以作為光折變晶體，在光存儲、光放大、光通信等光信息處理領域中有廣泛的應用前景。

5.結語

飛秒激光的超精細冷加工，作為一個新興的前沿科技領域，當然還存在一些急待解決的問題，為飛秒激光與各種不同光學材料的相互作用機理；研制雙光子吸收和多光子吸收截面大的材料，降低飛秒激光器的價格等。隨著研究工作的深入，飛秒激光三維微制備技術在微電子、計算機、光通信、生物醫學等高技術領域有著廣闊的應用前景。