浅谈飞秒激光微纳加工技术

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1、浅谈飞秒激光微纳加工技术商浩天津人学机械学院机械工程专业2015级硕丄・牛摘要：飞秒激光脉冲以超高速和超高峰值特性将其能量全部、准确地集屮在限定的作用区域，可对所冇材料实现“冷”加工。由丁在加工的过程中不产生冲击波，汽化物质也不把热量传给和邻的物质，因此避免了加工过程中热损伤的产生，得到了较高加工质量。本文综述了激光短脉冲化的E秒激光发展史，重点论述了E秒激光的加工机理和特点。介绍了E秒激光微加工在光学、微电子及生物医学等领域的应用，展瑕了飞秒激光微加工技术未來发展的趋势以及需要解决的关键技术。关键词：飞秒激光微加工应用0前言1916年，爱因斯坦对辐射理论的分析为激光的产生

2、提供了理论基础，肓到I960年，美国人梅曼博士才研制成功世界上第一台红宝石激光器。激光一直被视为神秘Z光，并已被人类广泛使用。激光加工可以克服其他加工技术的一些缺点，如需要接触式加工（如传统机械加工）、昂贵的真空设备（X射线、电子束、离子束加丄等）、无法加工致密材料（粒子束加工）和非平版样站（平版刻蚀技术）等，在工业加工领域备受青睐。然而，连续和长脉冲激光主要依靠聚焦产生的高温來烧蚀材料，热扩散范围大，加工精度冇限；准分子脉冲激光以其较短的波长和脉冲宽度町以实现微米级尺度的精密加工，但它盂要用到腐蚀性气体，而且紫外激光对大多数材料不透明，因而使用上受到限制。当前，微制造技术

3、的快速发展向加工尺度和精度提出了挑战——需要将加工精度延伸到亚微米甚至纳米量级，并且实现真止意义上的三维立体微加工。利用E秒激光微加工技术有望克服上述传统激光加工技术所面临的各种困难，它可以突破光学微加工方法屮由于衍射极限给加工精度带来的限制，并冇能力直接在透明材料内部加工出真正的三维微结构。1激光加工技术的发展激光加工开始于20世纪六、七十年代，主要采用红外和近红外波段输出的高功率纳秒激光系统，激光加工的主要材料是金属，加工过程包括、打孔、切割、焊接等多种形式，激光加工的原理是基于材料中的电子通过对光子的线性吸收获得热能，将材料逐步熔化、蒸发去除，因此造成吸收的光束能量不

4、可避免地扩散到周围的区域。因此，rti于热影响区的作用使得纳秒激光微加工不能得到超高的空间分辨率。20世纪80年代出现的紫外波段输出的准分子激光系列可以实现対聚合物、瓷器、牛物组织等材料的多种微细加工。在这一技术屮，材料通过线性吸收人能量的单个光了就可肯接切断其屮的分了或原了结合键，在表面生成等离了体，属于非热熔过程，因此热扩散影响较小；另外,由于波长很短,光朿容易聚焦，因此加工楷确度提高到梢度为10〜100微米。市于紫外激光与物质的作丿IJ根本上仍基于线性吸收的原理，使得对于吸收带能量人的材料的加工受到严格限制，如各种玻璃；同时由于这种线性作用便得紫外激光加工只能停留在材

5、料表面，不能实现材料的内部加工。20世纪90年代，随看钛宝石全固态超短脉冲激光技术的日趋成熟，人们开始利用其独特的优势进行精密加工。飞秒激光脉冲足够的短，光速为3xlOm/s,1秒钟可绕地球运动7.5圈，而在lOOfs内只能前进30pm,约为头发直径的1/3。特別是借助于碉啾脉冲放大技术，单个脉冲能量从儿个纳焦耳可放人至儿百毫焦耳羡至焦耳级，使得飞秒激光的峰值功率得以人幅度提高。飞秒激光加工改变了激光与物质相互作用的机制，不但可以提高加工精度，而且述能加工长脉冲激光无能为力的透明材料，开创了激光加工的崭新领域。2飞秒激光的加工原理激光对材料加工的效果通常农现为材料结构得到一

6、定的修复、调整或去除。激光能量向加工材料沉积的过程中，不同的空间、吋间分布方决定材料最终的加工结果。飞秒激光脉冲和材料作用过程中,材料屮的电子通过对入射激光的多光子非线性吸收方式获得受激能量，获得的能量仅在几个纳米厚度的吸收层上迅速聚积，作用区域内的温度瞬间急剧上升，并远远超过材料的熔化和汽化温度值，使物质发生高度电离，最终处于前所未有的高温、高压和高密度的等离了体状态；rti于受辐射持续时间只有飞秒量级do15s),远小于材料中受激电子通过转移、转化等形式的能虽释放时间，因而从根木上避免了热扩散的存在和影响；同时飞秒量级脉冲有着非常高的瞬时功率，产生的光电场强度比原子内部

7、库仑场高数倍，材料内部原冇的束缚力已不足以遏止高密度离了、电了的迅速膨胀，最终使作用区域内的材料以等离子体向外喷发的形式得到去除，实现了激光对材料的非热熔性加工。3飞秒激光加工的特点E秒激光脉冲凭借其固有的超短和超强特性，较传统激光加工有着许多不可比拟的独特优势。3.1加工材料的广泛性飞秒激光加工过程中，脉冲的超高峰值使得材料対入射激光进行多光子吸收，而非线性共振方式吸收，造成飞秒激光加工高度依赖于激光强度，并具有确定阈值的特性。多光子吸收程度和电离阈值仅依赖于材料屮的原了特性，与其屮的自由电了浓度无关。因此当脉冲