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飞秒激光加工最新进展

2012-05-14 9页 pdf 1MB 23阅读

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飞秒激光加工最新进展 第 卷 , 第 期 年 月 口目 日口四 目 口 招翻田口圈朋峨圈皿姗跳砚翻留匆璐盏咖朔镇 娜 数坏瀚葱蔑绷 激光与光电 子营进展 , 飞秒激光加工最新进展 孙晓慧 ‘ , “ 周常河 ‘ 余是鳃 “ 中科院上海光机所信息光学实验室 , 上海 上海大学物理系 , 上海 提 要 综述了飞秒激光进行材料加工的多种机理和理论 主要介绍了飞秒激光对玻璃 、石英 、金属 、聚合物等各种材料 加工的最新研究进展状况及各方面的应用 飞秒激光加工是门新兴的学科 , 具有重要的应用前景 。 关健词 飞秒激光 微加工 烧蚀 非线性...
飞秒激光加工最新进展
第 卷 , 第 期 年 月 口目 日口四 目 口 招翻田口圈朋峨圈皿姗跳砚翻留匆璐盏咖朔镇 娜 数坏瀚葱蔑绷 激光与光电 子营进展 , 飞秒激光加工最新进展 孙晓慧 ‘ , “ 周常河 ‘ 余是鳃 “ 中科院上海光机所信息光学实验室 , 上海 上海大学物理系 , 上海 提 要 综述了飞秒激光进行材料加工的多种机理和理论 主要介绍了飞秒激光对玻璃 、石英 、金属 、聚合物等各种材料 加工的最新研究进展状况及各方面的应用 飞秒激光加工是门新兴的学科 , 具有重要的应用前景 。 关健词 飞秒激光 微加工 烧蚀 非线性吸收 批 , ‘ 」 ‘枷 份 即 所川 刀夕人俪 落拟 即沉 肌 凡 诊 姗初 , 刀 召 〔沉健长 ‘” 切规 , 所浓们列 落 净初咒召祝 刀 落 尸叨 泛忑” 几艺龙正少吮艺, 落勿 , 夕破欢夕瓜功 丽 丘山 诚 、 , 卿习几 , 朋 」 毗 】 」毛 而 丘 〕 川 印 引言 自 世纪 年代飞秒激光器 在美国问世 , 飞秒激光技术得至」了迅 猛发展 。 由于飞秒激光具有很高的峰 值功率 、脉冲极短等特性 , 已被广泛 应用于物理 、化学 、生物学 、光电子学 等领域并得到了飞速的发展 。 年 代以后 , 随着飞秒针宝石激光器的研 制成功 , 飞秒激光进人了加工领域 。 与传统的加工用激光器如二氧化碳 激光器 、 掺钦忆铝石榴石 口 激光器相比 , 由于飞秒激光加 工产生的热影响区域非常小 , 能够得 到更高的加工精度 与准分子激光器 相比 , 虽然准分子激光器输出光波长 更短 ,但由于它的辐射能被许多透明 材料吸收 , 只能进行面加工 , 且当 波长又 ’’时 , 还存在聚焦光学 元件表面辐射损伤问 。 实验表明 , 使用超短脉冲不仅能够进行表面微 加工 , 还能进行体内微加工琳料透 明情况下 , 且加工精度不低于使用 准分子激光所达到的 。飞秒激光加工 所具有的独特优势引起人们的广泛 关注 , 使该技术得到了广泛发展 。 早 期工作如 年 日本的 等人首次利用再生放大的钦宝石飞 秒激光成功地在各种玻璃材料内写 人光波导 , 哈佛大学 领导 的小组利用飞秒激光在各种透明材 料内部进行高密度三维存储同 , 此后 短短的几年里 , 州门对各种材料的飞 秒激光加工 , 以及飞秒激光在产生光 波导 、藕合器 、光栅 、光子晶体及进行 光存储等方面的应用都进行了大量 的研究 。对于飞秒激光与各种材料的 作用机理各不相同且目前尚不清楚 , 年哈佛大学 领导的 小组利用微爆炸理论来解释飞秒激 光在熔融二氧化硅 、 石英 、 蓝宝石 、 光学玻璃等透明材料内部产生 亚微米结构的现象四。 本文综述了飞 秒激光进行材料加工的多种机理和 理论 , 阐述了飞秒激光加工的特点 重点介绍了飞秒激光对玻璃 、 石英 、 金属 、聚合物等各种材料加工最近两 年的研究进展状况及各方面的应用 。 飞秒激光超微细加工已成为当今世 界激光 、光电 二行业中一个极为引人 注目的前沿研究方向。 飞秒激光材料加工的机理 由于飞秒激光具有很高的峰值 功率 可达 钟 和功率密度 哒 出 龙 勺, 与各种材料相互作用时 往往诱发如多光子效应 、 自聚焦现 象 、 雪崩电离等各种非线性现象 , 飞 收稿 日期 一 一 收到修改稿 日期 一 一 目 第 卷 , 第 期 年 月 秒激光与各种材料作用的机理各不 相同而且目前尚不十分清楚 , 还处于 探索阶段 , 但根据现有的实验现象和 结果 , 对于各种材料人们提出了各种 不同的解释模型 , 主要有以下几种情 况 阑值模型 飞秒激光加工主 要是利用飞秒激光对材料的烧蚀作 用 , 将飞秒激光聚焦在被加工材料表 面或者体内产生烧蚀 。 研究表明 从 连续波到脉宽几十个皮秒 , 烧蚀过程 是离子雪崩 , 始于内部电子 。 该脉冲 范围内 , 烧蚀闽值常常有很大的偏 离 , 能量在很大范围内均可引起烧 蚀 , 然而飞秒脉冲的烧蚀阂值偏离非 常小 , 只有能量密度达到一定值时才 会发生烧蚀现象 , 烧蚀从一种统计属 性转变为一种确定行为 。 因此 , 对于 飞秒激光脉冲 , 可以适当地控制其激 光能流密度 , 使脉冲中心很小区域的 能量超过烧蚀闭值 , 从而得到比焦点 还要小的特征结构 。利用材料具有特 定烧蚀 值的特性还可以克服衍射 极限 , 这一观点最初在 年就被 等人提出 , 他们利用飞 秒脉冲得到直径为 的孔 , 约 为焦点尺寸的 嘶。 微 爆 炸 模 型 哈 佛 大 学 领导的小组研究了飞秒激 光在熔融二氧化硅 、 石英 、 蓝宝石 、 光学玻璃等透明材料内部产生 的微爆炸现象四 , 除了金刚石外 , 被测 试的样品材料内均导致了直径为亚 微米的立体像素 。 利用光学显微镜 、 衍射特性 、扫描电镜 峋及原子力 显微镜 朔 研究分析产生的亚微 米结构 直径为 表明 , 飞 秒激光脉冲在透明介质中引发的强 烈自聚焦效应使激光焦斑小于衍射 极限 。 , 观察及光学衍射测量表 明微爆炸形成一个微腔 , 腔周围是高 密度材料 。微腔结构被认为是由于巨 大的压力使材料从爆炸中心向外而 形成 。微爆炸过程中由于在恒定体积 目 激光与光电 子学进展 ’ 署猛 ” 砚熟费姗悲撰蹭绘翻燕拼粼探公 牛价户份 份 书沂 几 扮布拼介汤 一 招要砚榭翅漂魏 忿着敲润琳舱 应 曰 闰 口日甲 叫 内温度的升高产生巨大压力 。飞秒激 缩模型 是指激光辐照引起密度变 光在各种透明材料内的微爆炸现象 化 , 从而使折射率发生改变 。 应力 提供了一种透明材料的内部微加工 释放模型 认为折射率的改变是由纤 方法 年 等人利用 该方法在各种透明材料泡括熔融石 英 、熔融二氧化硅 、蓝宝石 、 光 学玻璃 、各种塑料材料等 中进行高 密度三维光存储 , 提供了一种新的具 有亚微米量级存储单位的光存储技 术日。 飞秒激光的微爆炸现象还可以 用于制作如衍射光学元件 、光子晶体 及光栅等 另外利用在微爆炸时产生 的条件可以开展高温高压研究的微 型实验 。 对于各种玻璃材料主要有 色心模型 年 和 根据 一 为 〔〕 因果关系提出了色心模型阎 , 该模型的前提是假设光敏效应产生 于缺陷处局域电子的激发 。紫外光照 射下 , 掺锗石英光纤材料中的缺氧锗 缺陷将发生电离 , 所释放出的光电子 陷落在附近位置上形成新的缺陷中 心 , 这种色心缺陷粒子数的变化将永 久胜地改变光纤的紫外吸收谱 。色心 模型理论在一定范围里解释了折射 率变化的原因 , 但 、 等人分别通过吸收光谱测量以及进 行 珍 变换发现得到的折射率变化 与实醚丝吉果会有两个数量级的差异 。 偶极模型 偶极模型建立在光子 激发电离玻璃内的缺陷结构锗氧空 位 , 形成内建周期性空间电荷场的基 础上问。 光电离锗缺氧心 一 、 会产生带正电的 ‘空穴心和 自由电子 , 电子扩散开在邻近的 、 处被捕获 , 形成带负电的 一 、 一电子捕获 。 空穴捕 获和 一 、 一电子捕获形成电 偶极子 , 空间距离在几个埃量级 。 每 一个形成的偶极子都会产生静电直 流极化场 , 延伸到多个分子距离 。 通 过直流克尔效应 , 这些静电场诱导出 的局域折射率改变正比于 尸。 压 芯中内建热弹应力的减小引起的 。在 拉光纤时 , 由于光纤纤芯和包层热膨 胀系数差异使掺锗的石英纤芯处于 紧张状态 。 通过应力一光学效应眯弹 效应 , 张力使折射率减刁、。间新的网 络结构的形成 铅一锡一氟磷酸盐玻 璃在紫外光照射下 , 形成的条纹状结 构是由折射率改变引起的 , 但不存在 玻璃结构的致密化 , 未曝区折射率减 小闭。 另外对于各种玻璃材料 , 根据 飞秒激光强度可分三种不同性质的 破坏类型同 低的激光强度产生正的 折射率变化哄型 , 可用于获得光 波导 、藕合器 中等的强度产生双折 射率变化 类型 高的强度破坏形 成空腔哄型 , 可用于产生光子晶 体及进行光存储 。 最近 , 英国 等人研究了中等强度下的情 况即类型 的情况 , 建立了一种双折 射形成模型间。 他们采用干涉测量相 位步进技术测量飞秒激光辐照后样 品各区域的相位变化 , 从而得到各区 域的折射率变化情况 。实验结果证实 了负折射率变化及折射率变化符合 对偏振态的依赖性 。 金属材料 年 , 德国汉诺 威激光中心 等人用 一 的钦宝石激光脉冲对金 属材料进行烧蚀研究 , 在不同的激光 脉宽下对双温方程进行约化 , 并求得 解析解 , 显示出飞秒激光相对纳秒及 皮秒激光在材料加工 中的优势 。 年 , 该中心 等人继续 研究 了钦宝石激光脉宽 至 的激光脉冲对金属材料的烧蚀 特性 , 仍从求解双温方程人手 , 发现 当激光脉宽 远远小于晶格的受热 时间 了 时 , 烧蚀时间不依赖于激光脉 宽 。试验得到金属铜材料的烧蚀速率 与双温模型相一致 。 飞秒激光脉冲 第 卷 , 第 期 年 月 激光与 光 电 子母进展 日 困目目困目口阳砌组租圈爵级明琶澎 养芸嗜黑咨 落男丛 清况下金属热扩散所起的作用 明 显降低 , 为精密微加工提供了条 件 , 而且无熔融材料产生 , 因而非 常稳定且可重复生产 。 年 , 和 基于玻尔兹曼方程和费米狄拉 克配分函数提出热电子爆炸模型 来描述金属材料中的超快形变 。 年 , 等人综合双温 模型及 电子爆炸模式假定单轴应 变三维高压条件下 , 提出一系列相 互关联的瞬时热弹性变形方程 。 数值结果表明 , 超短激光脉冲烧蚀 过程中 , 非熔融态损伤 占支配地 位 , 这种非熔融态损伤的主要动力 来源于热电‘子爆炸力 。 库仑爆炸模型 库仑爆炸模 型 最 初 的 提 出 是 针 对 表 面 损 伤 “ ,‘ 。 年 , 和 利用大规模分子动力 学模拟研究硅表面的库仑爆炸‘ 。 年德国 等人分析了 飞秒激光烧蚀蓝宝石 晶态 护刀 , 实验过程 中使用 飞行时间质谱仪 研究离子发射 , 发现最凸出的峰为 十和 十 。 分析了放射出的阳离子 强度对激光能流和激光脉冲数 目 的依赖关系及离子动能分布 , 表明 基本的烧蚀过程是 由于表面爆炸 即库仑爆炸所引起的 。 另外 , 该小 组还对飞秒激光爆炸烧蚀 及 等宽带隙晶体材料进行了研 究 , 同样证实了库仑爆炸的合理性 ‘ 。 年 明 等人 利用具有纳焦能量的飞秒激光脉 冲在硼酸硅玻璃形成丘状纳米结 构 , 烧蚀机理与库仑爆炸相一致 。 丘状烧蚀物没有 明显的熔融和环 形凹痕证实了在熔融或汽化之前 材料开始离开表面 。 受损部位的横 向尺寸小于聚焦于样品表面的焦 斑大小 至 倍 , 这与多光子效应 所致的破坏机理相一致 。 在特殊气体中的材料加工 。 最近 等人发现在六氟化 硫 的氛围中飞秒激光脉冲照 射硅片表面后 , 原本光滑的表面变 成绒状 , 经扫描电镜观察到准有序 的锥形微结构阵列 , 而且此时的硅 片光电特性也发生改变 。 在 的氛围中 , 经飞秒激光脉冲照射后 的硅片对红外光具有很高的吸收 率 , 这种现象可以解释为锥形微结 构对人射光的多次反射造成的 。 不 仅如此 , 硅片经飞秒激光脉冲照射 后的场致发射特性也发生变化 。 在 其他气体中飞秒激光照射硅片 , 如 在 中得到 的硅表面形貌与在 凡 中的相似 , 但是不具有对红外 光的高吸收特性和高的场致发射 性能 在 氛围内飞秒激光照射 硅片后也发现高的红外吸收特性 。 分析 比较发现 由于硫元素掺杂使 硅微结构具有高的红外光吸收特 性及高的场致发射性能 。 该小组早 在 年就已经发现 , 硅材料表 面形貌的变化在 中也观察到同 样的现象 ‘ 。 总的来说 , 各种材料的烧蚀基 本都与阂值模型相符合 金属和半 导体材料的飞秒加工利用库仑爆 炸模型得到了合理的解释 。 当然至 今还没有一种模型能够完全解释 飞秒激光与各种材料相互作用 的 机制和具体的作用过程 , 所以这一 领域仍需要进行大量 的理论工作 和实验工作 。 飞秒激光材料加工近几年的 进展状况 从 年飞秒激光开始用于 材料加工以来 , 由于其独特的加 工优势很快得到人们广泛的关注 。 年 掀 总结了飞秒激 光对金属 、玻璃 、金刚石 、各种聚合 物 、 陶瓷等材料的微加工进展情 况 , 从各方面证实了飞秒激光是一 种优秀的微加工光源 。 本文重点 描述 了飞秒激光非线性现象所引 发的一系列新 的应用如在玻璃 内 部写人光波导 、藕合器 、光栅 、光子 晶体 、微光学元件等 , 以及利用 多 光子聚合产生亚微米结构超衍射 极限加工方面的进展状况 。 各种玻璃材料 光波导 年 , 日本 的 等人首次利用再生放大的钦宝石 飞秒激光成功地在各种玻璃 如高 硅玻璃 、 硼酸盐玻璃 、钠钙玻璃及 氟化玻璃 内得到光波导 , 检测到纯 硅 、掺锗硅玻璃被照 区域折射率增 加量 △ 为 至 ‘ , 。 年 日本物理化学研究所 的 一 等人在光纤纤芯中 得到长度为 一 单模光波导 结构并检测到最大的折射率变化 量为 。 飞秒激光放大器通常 具有较低的重复率 , 大大限制了飞 秒微加工的速度 , 此外飞秒放大器 价格相对昂贵和复杂 。 年 , 哈 佛大学 泊 等人直接聚 焦未经放大的由飞秒激光振荡器 输出的具有纳焦能量 的飞秒激光 脉冲 , 在康宁 玻璃内写人波 导 , 大大提高了加工速度并降低 系统成本 。 图 给出了所写光波导 的图片阴 。 美国 」飞 等人也利用 飞秒激光振荡器输 出 的红外飞秒激光在康宁 玻璃 中得到单模 藕合器和三维光波 导吧并采用 的方法来表征得 到的光波导及藕合器的性能 , 测得 被改性区域的折射率变化 。 年德国耶拿大学 等人利用 飞秒激光脉冲在熔融二氧化硅 内 获得 长的光波导 , 得到的损 耗低于 〔对波长 的 光而言 , 并通过控制写人速度控制 波导的模数 目 。 年 , 加利福 尼亚的 等人利用飞秒激 目 第 卷 , 第 期 年 月 激光与光电 子母进展 , 习 即 光在磷酸铝玻璃 一 中 写人椭圆形波导 , 发现与纯熔融二 氧化硅玻璃现象明显不同 , 波导在 飞秒激光光束焦点的周围形成 , 而 缺陷如色心则在中心焦点区域 , 而 且该区域的折射率降低 。最近 , 意 大利的 等人利 用整形的飞秒脉冲在掺饵和饰 的玻璃基片得到 长单模 光波导 , 沿着飞秒激光光束传播方 向降低束腰的大小 , 同时降低两束 腰的位置 。 该方法克服了波导固有 的不对称性 , 使所得波导能够有效 地藕合到光纤中绷 。 次证实了藕合系数的振荡性变化 和飞秒非线性材料加工藕合模式 装置 。 光栅 年 , 日本科技株式会社的 等人首次通过两束 红外飞秒激光发生干涉 , 在各种透 明的电介质材料 如蓝宝石单晶 、二 氧化硅玻璃等 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 品置于激光焦平面 。 法国巴黎理工 学校 等人利用再生放大 的钦宝石飞秒激光在熔融二氧化 硅内写人永久性双折射结构 , 得到 线 宽 一 拌 周 期 为 林 的 光 栅阳 。 年 , 新加坡南洋科技大学 等人采用惆啾 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 后烘 , 在显微镜下可以明显观察到 颜色变化 , 而月 随着后烘时间的增 长 , 光栅的颜色越深 。 另外 , 增加 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 。 这一现象提供了一种通过后烘 控制 光敏玻璃折射率的 变化率的方法 。 使用低脉冲能量进 行加工 , 可以提高空间分辨率 、降 低加工粗糙度而且不必使用 惆啾 脉冲 。 图 是经过 小时的后烘 得到的光栅结构 刀。 光栅的衍射性 能通过氦氖激光的衍射花样给出 。 光纤 光栅具有有效 的 选频特性 , 与光纤通信系统易于连 图 利用飞秒激光在玻璃内部得到光波 导的图片【绷 , 藕合器 一 年 , 美 国 一 等 人利用钦宝石飞秒放大器输 出的 飞秒激光脉冲 , 分别使纯熔融二氧 化硅和掺硼石英玻璃折射率增大 一 和 书 , 在纯熔融二氧化 硅内部获得 型藕合器 。 美国康 宁公司 等人于 年首次利用飞秒钦宝石振荡器输 出的纳焦飞秒脉冲在 硅酸硼玻璃内加工得到定 向藕合 器 卿 。 年 , 利用扩展式腔飞秒激光器制作了 具有不同相互作用长度和祸合系 数的方向藕合器幽 。 通过控制人射 脉冲能量 , 焦点大小及扫描速度 , 可以制造不同尺寸 、不同模式结构 的光波导 。 为了验证藕合模式理 论 , 加工了一系列的具有不同波导 间距 和作用距离 的藕合器 , 首 目 图 飞秒激光辐照光敏玻璃后经 小时的后烘得到的光栅结构及 一 激光经过 该光栅的衍射花样【绷 脉冲放大的飞秒激光 , 通过两束平 行的飞秒激光干涉在铜样品表面 得到周期为 林 的光栅圈 。 最近 日本 亚 的 等人在 几 光敏玻璃 内得到光栅结 构 , 并调查了玻璃在温度 ℃ ℃之间的后烘时间与折射率变 化的关系‘胡 。 该研究发现经飞秒激 光照射样品后 , 显微镜观察无可见 接且藕合损耗小 , 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‘网 。 使用相位掩 模技术与飞秒激光脉冲相结合可 以写人光纤 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 。 最近加 拿大通讯研究 中心 的一个小组采 用 ’钦宝石飞秒激光脉冲与 第 卷 , 第 期 年 月 激光与光电 子李进展 , ‘ 无零次相位板结合 , 在掺锗通信光 纤纤芯中写人高质量的反射 光栅困 。 实验中使用的相位掩 是精确刻蚀的在 波长低量 零次通过 。 采用飞秒激光获得光纤 光栅具有极高的折射率调制 范围 , 而且与通过紫外光获得的光 栅相比 , 具有很高的温度稳定性 。 折射率变化机制可能是多光子吸 收过程与锗掺杂有关 。 图 是飞秒 激光在光纤纤芯 中获得的折射率 调制光栅幽 。 等人首次成功地利用 ’’飞秒 激光在 一 必。一 。玻璃内部 生长出具有单晶结构的 偏硼 酸钡 倍频晶体 , 并观察到人射红外 激光的蓝色倍频光刚 。 样品玻璃的 组 成 是 仇 , 飞秒激光经显微物镜聚焦到样品 内部 , 发现激光辐照部分有球形区 域形成 , 并随时间扩大然后变为恒 值 。 当停止激光辐照时 , 圆形面积 有轻微的缩小然后保持固定 。 分析 认为 , 球形区域的形成是由于聚焦 图 飞秒激光在光纤纤芯中光诱导折射率变化图片 , 两线间距为 林」 光存储 年 , 日本 等人首次 观察到红外飞秒脉冲照射后的氟 错酸盐玻璃内的永久性光致还原 现象 护 还原为 今 , 该现象提 供了一种具有高存储密度的三维 光存储方法 。 年 , 日本大阪 大学 肌 等人首次 研究了飞秒激光脉冲照射二氧化 硅玻璃时对空穴的捕获及两空穴 的合并现象 , 提供了一种新的可再 写三维光存储技术阵 ,。 年 , 该 日本大阪大学 叔 掀 等人报道了经再生放大的钦宝石 飞秒激光照射后 晶态氟化钙和非 晶态二氧化硅玻璃 中空穴的移动 现象 , 空穴移动的最大距离为 件 左右 , 这一现象提供了一种三维可 重组光存储方法 。 , 各种非线性晶体 年 , 日本 刃 激光束的压力波和局部受热造成 的 。 当照射 分钟后 , 在焦点附近 有晶体产生 。 移动激光束焦点位置 后 , 发现在飞秒激光焦点处上述玻 璃样品内分别形成了偏硼酸钡 晶体 、妮酸铿 晶体 及钦酸钡 晶体 。 随着辐照 时间的增长 , 观察到更加明显的晶 体特征峰 。 微光学元件 年 , 日本物理化学研究所 亚 的 等人利用飞 秒激光在光敏玻璃内 理 制 作了三维微光学元件阴 。 实验中他 们不仅在玻璃内部制作了 内部 微型反射镜 , 还制作了由三个内部 微型反射镜组成的光学回路 , 可 以 使光束在 面 积 内转 。 。 实验过程中发现 , 如果对样 品作退火处理 , 刻蚀表面的粗糙程 度会得到很大改善 , 从而也改善了 光学元件的光学性能 。 图 是飞秒 激光在 玻璃 内写人的微 光学回路 , 可以使光束传播方向改 变 例 。 各种聚合物材料 聚合物 又称光学塑料 由于具 有很强的可适应性和热稳定性 , 在 工业上有十分重要的应用 , 因此聚 图 飞秒激光在 玻璃内写入的微光学回路图片及光束的输出‘ 可在玻璃样品内连续地产生频率 合物的精密加工也具有十分重要 变换晶体 。 最近 , 我国的余口鲍等 的意义 。 年 月 , 刀 杂志 人研究了飞秒激光脉冲辐照下 的 报道了 日本科学家使用飞秒激光 硼酸盐玻璃 、 妮酸盐玻璃及钦酸盐 诱发的双光子聚合技术雕刻出了 玻璃内各种晶体的形成状况叫 。 研 一个 卿 长 、 林 高的立体公牛 究人员采用研究样品拉曼光谱的 像阅 。 这头公牛是他们对该项技术 手段 , 经过一定时间的激光辐照 进行改 良 、把精确度提高到 目 第 卷 , 第 期 激光与光电 子母进展 , 年 月 图 利用双光子聚合技术获得的长 尸 高 、 林 的各种姿态的立体公牛图像叫 幅度大小 。 为了尽可能的使 效应最大 , 需要构造更加复杂的晶 格以适合光子态密度 。 最近 , 日本 等人不用双光子 聚合技术构造具有明显 效应 的共价键型金刚石晶体结构 。 分析 了所得光子晶体的投射光谱 , 单周 期透射率衰减为 表明选择合 适的晶格类型对于获得强 的 效应是非常有必要的 ‘, 。 年 , 德 国 等人研究 了飞秒激 光诱导无机 一 有机混和材料 的双光子聚合现象 , 并利 用 该 技 术 得 到 结 构 尺 寸 小 于 ’’ , 周期为 ’’的三维微结 构和光子晶体阅 。 图 是利用双光子 的结果 。 与此同时 , 他们使用同样 的方法 已经造出了一个 “ 纳米弹 簧 ” , 它能在激光作用下像普通的 金属弹簧一样振动 。 双光子聚合技 术提供了一种可控制晶格常数和 晶格对称性 , 实现近红外和可见光 波段光子晶体的简洁法 。 图 利用 双光子技术雕刻的立体公牛像阴 。 光子晶体 光子晶体是折射率在空 间具 有周期性调制的介电结构 , 其变化 周期和光的波长为同一个数量级 。 光子晶体提供了一种全新的控制 光子传播的机制 。 年 日本口岛 大学 等人利用飞秒激光 多光子吸收效应能够在掺锗二氧 化硅玻璃 内构造任意晶格的光子 晶体 , 该技术能够单独地为单个原 子选址网 。 同年 , 该大学 观 等人采用多光束飞秒激光 干涉的方法来制作光子晶体 , 得到 了一维 , 二维和三维的周期性结 构 。 该激光干涉技术的优点在于装 置简单 、加工时间短并且可 以获得 大体积的周期性结构 。 年 , 日 本 山 等 人 在 石 英 和 图 利用双光子聚合技术获得的光子晶体结构的原子力显微镜图片圈 二 · 玻璃以及树脂 内 得到光子晶体结构 。 测得的光子带 隙光谱表明光子禁带 的不完 全性 圈 。 年 , 日本 胶 等人报道 了利用多束飞秒 激光干涉制作二维光子晶体 , 实验 表明通过改变曝光条件控制周期 性结构的特征尺寸团 。 实验过程中 采用不同的干涉角 , 发现所得结构 的周期随着干涉角的增加而减小 。 仅采用 四束光中的的三束进行实 验时 , 原本周期性结构柱状的横截 面变为椭圆形 , 而周期相同 。 说明 不改变晶格的情况下可 以控制周 期性结构的形状 。 严格依赖于 的晶格类型及折射率调制的 聚合技术获得的光子晶体结构 。 飞秒激光对金属材料的加工 制作金属掩模板 新加坡南洋科技大学 等人利用飞秒激光对 各种金属薄膜进行烧蚀实验 。 利用 金属金薄膜作为吸收层 , 用飞秒激 光直写的方法制作 了以石英为基 底的金属掩模板 , 并将前人射与后 人射两种作了比较 , 发现采用 前人射的方法能够得到更小的特 征尺寸和好的边缘质量阅 。 金属掩模板的修正 石英基底的金属镐掩模板 的 制作是非常昂贵且很难作到无缺 陷的 。 典型的缺陷如在应该被去除 日 第 卷 , 第 期 年 月 激光与光电 子营进展 , 习 的地方残留有多余的吸收材料 , 缺 陷的去除必须保证石英基底和邻 近的区域不被破坏 。 利用飞秒激光 可 以有 ‘ 效地修补金属铜掩模板的 缺陷 , 由于吸收材料的烧蚀阂值低 于模板基底玻璃 , 保证了掩模板被 修正 的同时基底不受损坏冈 , 且空 间分辨率非常高 , 甚至可以实现超 衍射极限加工 。 目前构建的飞秒激 光修正光掩模板工具已在 的 柏林顿 、佛蒙特州的掩模制作设备 中运行 。 利 用 扫 描 近 场 光 学 显 微镜 传统的远场技术由于衍射极 限的限制 , 横向分辨率受到极大的 限制 , 从而也限制了纳米范围下的 物理化学特性 以及远场情况下纳 米范围的输运机制的研究 。 已被证明在研究纳米尺寸的各种 材料物理化学性能时是非常有效 的 。 瑞士 盯 等利用飞秒 激光抽运 一探测技术与 相 结合 , 提供了一种具有 空间 分辨率 、 的时间分辨率的系 统 , 该系统能够显示远场无法获得 的物理信息 , 开拓了一种测量纳米 尺寸结构的载流子动力学过程的 方法 。 年 , 德国汉诺威激光 中心 等人首次报道了飞秒 激光脉冲结合 对材料进行 表面改性 , 利用钦宝石飞秒激光三 倍频光 在金属镐层得到线 宽 的凹槽团 , 得到特征尺寸 小于光波长的结构 。 由于光纤中波 导模式的截止 , 只有很少的一部分 光可以通过探针端口 。 无孔径近场 扫描光学显微镜 通过使 用金属端 口代替光纤孔径克服了 这一缺点获得纳米量级的分辨率 。 年 , 美国 儿 等人将 技术与双光子吸收技术相 结合用于平版制版 阴 。 实验采用 的激光脉 冲和广泛使用 的 一 负性光刻胶 , 获得 ’’的 空间分辨率 。 特殊气体中的飞秒激光材料加 工 飞秒激光在微加工 中的新现 象引导各国学者不断发现各种飞 秒激光加工的新应用 。 最近 等人在各种特殊气体氛围下研 究 了飞秒激光对硅片材料照射后 的一些变化四 。研究发现 , 在 凡 六 氟化硫 的氛围下飞秒激光脉冲照 射硅片表面后 , 硅片原本光滑的表 面变成绒状 , 经扫描电镜观察到准 有序的锥形微结构阵列 , 这一现象 该小组于 的 年在 及 飞中 利用飞秒激光辐照硅材料后就 曾 观察到 。 辐照后的硅片光电特性 也发生改变 , 对可见光的吸收由原 来的 上升到 。 这种现象 可 以解释为由锥形微结构对人射 光的多次反射造成的 。 同时 , 在 的氛围经飞秒激光脉冲照射后的 硅片对红外光也具有很高的吸收 率 , 这为红外光的探测提供了一种 新的材料 。 不仅如此 , 在 凡 的氛 围下 , 硅片经飞秒激光脉冲照射后 的场致发射特性也发生变化 , 提供 了一种简单的一步制作大功率 、高 效率硅基场致发射阵列 。 在其他气 体中飞秒激光照射硅片 , 发现在 中得到的硅表面形貌与在 。 中 的相似 , 但是不具有对红外光的高 吸收特性和高的场致发射性能 在 玩 氛围内飞秒激光照射硅片后也 发现高的红外吸收特性 。 分析比较 发现 , 硫元素掺杂使硅微结构具有 高的红外光吸收特性及高的场致 发射性能 。 总结 飞秒激光加工 日益显示 出其 独特性和优越性 。 本文介绍了飞秒 激光微加工 的各种机理及对各种 材料的加工进展和具体应用状况 。 飞秒激光加工不仅能够获得常规 长脉冲无法 比拟的高精度和低损 伤 , 而且有越来越多的新奇独特应 用被发现 。 除了本文提到的利用对 材料的局部改性产生光波导 、藕合 器 、光栅 、光子晶体和进行光存储 等方面的应用以及双光子聚合 、超 衍射极限加工外 , 飞秒激光对材料 烧蚀期间产生的高能等离子体还 可 以淀积获得优质薄膜等更多新 的应用 。 采用经时间整形的飞秒激 光脉冲进行材料加工还可 以大幅 度地改善加工质量阴 。 目前国内外 在飞秒激光加工这一领域均获得 了很大进展 , 我国在这方面也开展 了大量 的研究并取得 了一定的成 果 。 显然飞秒激光在材料加工方面 具有独特的优势 , 有更多新应用在 不断出现 , 相信随着研究的进一步 深人 , 各方面技术的进一步成熟 , 飞秒激光在材料加工方面将发挥 更大的作用 。 参 考 文 献 习, , , 加 成二 汉〕 即 , , , 一 , 芝 , , 艺 , 一由刀 日 爪 口夕艺 乙艺 , , , 以 , , 一 《侧 而 一 即 执 初 〕 月 才盆理砚 月 夕 亡 , , , 一 , 飞 , 成 、 山 一而 此 · · ”乞”递珊 · , 国 第 卷 , 第 期 年 月 激光与光电 子营进展 滩 , 习 , 一 , , 一 扫 笼 即 , , 一 釜 , 压即皿 , 担 肌 即 , 矛视 , , 一 句 , , 〕 认 一 一 吐 即 , , 一 面 , 引 〕 , 份 二 勿 习 】 即 洲比 陀 , , 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