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
, ‘ 」
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所川 刀夕人俪 落拟 即沉 肌 凡 诊 姗初
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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
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