飞秒激光在微加工中的应用分析

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1、能量的输出方式局限在纳秒的时间范围内。在这一阶段，激光加工的主要材料是金属，加工过程包括：打孔、切割、焊接、淬火和雕刻等多种形式，激光加工的原理是基于材料中的电子通过对光子共振线性吸收获得的热能，将材料逐步熔化、蒸发去除，因此本质上依赖于材料的热学特性，属于热熔性过程和“粗”加工方式。在这一技术中，由于激光脉冲持续时间较长，远大于材料的热扩散时间，造成吸收的光束能量不可避免地扩散到周围的区域，对于材料的微加工来说，这一条件绝非理想。激光加工发展至20世纪80年代，开始出现紫外波段输出的准分子激光系列，利用它的短波长特性实现对聚合物、瓷器等非金属

2、材料进行的打孔、光刻、表面处理等多种微细加工，并且在激光医疗等方面得到了一定程度的应用。在这一技术中，材料通过线性吸收单个光子的能量就可以直接切断其中的分子或原子结合键，在表面生成等离子体，因此实质上属于光化学反应，而非热熔化过程，其中的热扩散影响较小。另外，由于波长很短，光束容易获得聚焦，因此加工精度也得到了相应的提高，但它仍受光学系统衍射极限的限制。事实上，紫外激光的微加工也存在着固有的局限性和缺点：一方面，由于紫外激光与物质的作用根本上仍基于共振吸收的原理，使得加工处理的材料种类和范围受到严格限制，例如对于多数光学玻璃和石英材料（主要成份

3、是SiO2），吸收带能量大，相当于133nm的吸收波长。紫外激光正好位于吸收带的边缘，几乎是透明的，因此很难进行加工处理。另一方面，尽管在作用过程中没有热扩散现象，但单个光子的线性吸收足以使材料发生变化，因此这种穿透性实际上阻止了激光越过表面，深入材料内部进行三维结构修复和制作的可能性，使得紫外激光加工只能停留在材料表面一维和二维操作，具有较差的空间方位选择能力。20世纪90年代初，随着宽带可调谐激光晶体和自锁模技术的出现，飞秒激光技术得到了突飞猛进的发展。以掺钛蓝宝石为代表的新一代飞秒激光器，输出光脉冲的持续时间最短可至5fs，激光中心波长位

4、于近红外波段（~800nm），特别是借助于啁啾脉冲放大技术，单个脉冲能量从几个纳焦耳就可以放大至几百毫焦耳、甚至焦耳量级，912此时脉冲的峰值功率可达GW（10W）或TW（10W），再经过聚焦后的功率密度为1518210~10W/cm，甚至更高。具有如此高峰值功率和极短持续时间的光脉冲与物质相互作用时，能够以极快的速度将其全部能量注入到很小的作用区域，瞬间内高能量密度2沉积将使电子的吸收和运动方式发生变化，避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等的影响，从而在根本上改变了激光与物质相互作用的机制，使飞秒脉冲激光加工成为具有超高精度、超高空间分辨率和

5、超高广泛性的非热融“冷”处理过程，开创了激光加工的崭新领域。1.3飞秒激光微加工进展自从飞秒激光开始用于材料加工以来，由于其独特的加工优势很快得到人们广泛[18]的关注。2003年，Rizvi.N.H总结了飞秒激光对金属、玻璃、金刚石、各种聚合物、[19]瓷器等材料的微加工进展情况，从各方面证实了飞秒激光是一种理想的微加工光源。1.3.1透明材料2000年，Kawamura.K等人首次通过两束红外飞秒激光发生干涉，在各种透明材[20]料（如蓝宝石单晶、SiO2玻璃等）上得到表面浮雕全息光栅。该方法是产生两束飞秒激光然后经过普通的聚焦透镜，样品置

6、于激光焦平面。Sudrie.L等人利用再生放大的钛宝石飞秒激光在熔融SiO2内写入永久性双折射结构，得到线宽6~7μm周期为20μ[21]m的光栅。2003年，Venkatakrishnan.K等人采用啁啾脉冲放大的飞秒激光，通过两[22]束平行的飞秒激光干涉在铜样品表面得到周期为3.2μm的光栅。Ya.Cheng等人在[23]Foturan光敏玻璃内得到光栅结构，并研究了玻璃的后烘时间与折射率变化的关系。该研究发现经飞秒激光照射样品后，显微镜观察无可见的变化，氦氖激光经过后也没有衍射效应出现，显然此时玻璃的折射率变化可以忽略。但是当样品经过后

7、烘，在显微镜下可以明显观察到颜色变化，而且随着后烘时间的增长，光栅的颜色越深。另外，增加Foturan玻璃内部掺杂银离子的浓度也可以获得更高的折射率变化量。光纤Bragg光栅具有有效的选频特性，与光纤通信系统易于连接且耦合损耗小，[24]因此它在频域中呈现出丰富的传输特性，并成为光纤器件的研究热点。使用相位掩模技术与飞秒激光脉冲相结合可以写入光纤Bragg光栅，但该方法潜在的问题是飞秒脉冲光谱展宽，脉冲能量扩散到很大面积。加拿大通讯研究中心的一个小组采用800nm钛宝石飞脉激光脉冲与无零次相位板结合，在掺锗通信光纤纤芯中写入高质量的反射3[25

8、]Bragg光栅。实验中使用的相位掩模板是精确刻蚀的在800nm波长低量零次通过。采用飞秒激光获得光纤Bragg光栅具有极高的折射率调制范围，而且与通