收稿日期: 2000—06—07
飞秒激光加工
1 前言
随着新激光装置的开发, 激光加工技术
也取得了巨大进展。60~ 70 年代是 YA G 激
光器与 CO 2 激光器的时代, 主流是金属加
工。进入 80 年代后, 准分子激光器登场, 发展
为利用它的短波长对聚合物、瓷器等非金属
材料进行精密加工。进入 90 年代后, 飞秒钛
蓝宝石激光器进入了加工领域。其背景是时
代对各种材料要求更精密的加工技术以及随
着激光技术的进步, 可以容易地得到飞秒领
域的超短脉冲激光。的确, 准分子激光器与以
往的 YA G 激光器及 CO 2 激光器相比, 可以
用于更精密的加工, 但不适合金属材料的加
工。而 YA G 激光器与CO 2 激光器基本上属
于热加工, 因此加工精度存在问题。与此相
比, 飞秒激光与材料的热扩散速度相比, 能更
快地在激光照射部位注入能量, 即使是热扩
散较快的金属材料也能提高加工精度。而且,
通过利用多光子吸收, 还能处理非线性吸收
禁带宽的材料。此外, 通过利用非线性效应正
在开发打破以往激光加工常规的新加工方
法。
本文将介绍飞秒激光器应用于各种材料
加工的情况, 阐述用飞秒激光进行加工的现
状, 并将它与以往的纳秒ö皮秒激光器进行比
较, 揭示飞秒激光加工的特性。
2 飞秒激光加工的特征
2. 1 多光子吸收及能量缓和
通常用纳秒激光器进行烧蚀加工所要求
的激光参数是波长与注入能量 (能量密度)。
与此相比, 使用飞秒激光进行烧蚀加工时, 除
了脉冲的持续时间外, 激光的峰值强度也很
重要。这是因为物质对它吸收时, 依赖于激光
强度的非线性过程起重要作用。
如果 1 个光子的能量大于物质的电离能
量和解离能量时, 物质吸收 1 个光子后, 状态
将会发生变化。这时, 因为吸收系数不依赖于
激光强度, 离子数将会按照辐射强度成比例
增加。当最终状态的能量大于 1 个光子的能
量时, 加大激光强度, 就会产生同时吸收多个
光子的多光子吸收现象。这时, 一般将迁移所
必须的光子数设为 n, 则吸收系数与光强度 I
的 n 次方成正比。
通过这种多光子吸收, 一旦生成自由电
子, 该电子将在激光场被加速, 得到运动能量
(逆制动辐射加热) , 与周围的原子或离子发
生冲撞, 产生 2 个电子。这种如同雪崩一样倍
增电子的过程叫做雪崩电离。一旦达到离子
雪崩, 其后的激光吸收便受逆制动辐射过程
控制, 对于金属和导电体材料来说没有差异。
激光脉宽小于 100 fs 时, 与电子碰撞造成的
雪崩电离相比, 激光场造成的直接光电离效
果不能忽视, 因此材料的差异变得明显。
这些过程中生成的自由电子通过碰撞在
100fs 以下的短时间内达到热平衡态。储存
在该电子体系的能量按皮秒级, 以声子形式
释放出来, 激发固体中的晶格振动。晶格振动
的能量变成热量扩散到固体中。这里, 通过激
光注入的能量第一次以被加工物质的温度上
升这种形式出现。此后的热量向周围传递取
决于物质固有的热力学特性。
2. 2 通过高速能量注入进行局部加热
利用飞秒激光进行加工的最大特点是与
物质的热扩散时间相比, 可以在极短的时间
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内注入能量。因此照射的激光能量没有在照
射领域外损失, 可以得到有效利用。
将材料的热扩散系数设为D , 激光的脉
宽设为 Σ1, 激光照射时的热扩散长L D 可以用
L D = (D Σ1) ∀ã
示。这里的D = k T öΘC P , k T ,Θ, C P 分别表示热传导率、密度及热容量。即
使是热扩散系数大的金属, 热扩散长度L D 在
1 p s 时间内也只有 10 nm。金属表面吸收激
光的长度只有表皮厚度左右 (数纳米) , 脉宽
为 100 fs 时, 激光照射时的热扩散可以忽略。
因此, 能量只在照射区积蓄, 可以达到以往激
光加工所无法达到的高温高密度状态。
2. 3 等离子体屏蔽的回避
如上所述, 用脉冲激光照射固体表面时,
将产生线性或非线性吸收, 生成等离子体。这
种高温高密度等离子体从固体表面向外喷
出, 产生烧蚀。通常的激光加工中, 从固体表
面喷出并膨胀的等离子体会吸收激光, 通过
等离子体中的热传导, 使激光能量注入加工
领域。当照射激光的脉宽与等离子体的形成
时间相比足够长时, 激光等离子体频率与照
射激光频率达到平衡, 即在临界密度领域被
遮蔽, 无法再继续进入物体。这就是所谓的等
离子体屏蔽。临界密度可以用 nc = m eΞ2ö4Πe2
来表示。式中m e 为电子质量, e为电子电荷, Ξ
为激光频率。从可见光到近红外的波长, 其临
界密度为 1021 cm - 3左右。
由于激光照射, 在固体表面产生的等离
子体从表面向外侧膨胀时的膨胀速度 vp 可
以用 v p≈ (z kB T öm i) ∀ã 来表示。这里的 z 为离
子价数, kB T 为等离子体温度,m i 为离子质
量。现在将等离子体温度设为几十电子伏时,
v p 为~ 106 cm ös, 使用 100 fs 以下超短脉冲
激光时, 可以看到等离子体膨胀前, 激光照射
就终止了。这也是使用飞秒激光在提高加工
精度的同时又能提高效率的一个原因。
2. 4 利用非线性效应进行局部加工
飞秒激光加工的另一大特征是可以利用
非线性效应进行物质内部的局部加工。如上
所述, 通过多光子吸收进行烧蚀时, 在它的阈
值附近, 激光强度的极小差异也会带来很大
的变化。一般激光呈高斯型空间强度分布。用
这样的激光脉冲聚焦照射透明材料时, 光束
内只有一部分有限的区域达到阈值强度, 产
生反应。因此, 可以在三维空间内的任意部位
进行比光斑更小的加工。而且, 通过扫描光
束, 原理上三维加工也是可能的。
3 各种材料的烧蚀
3. 1 导电体的烧蚀
下面将阐述一下用飞秒激光烧蚀透明
(即禁带宽的)导电体材料的情况。
有关石英等透明光学材料的激光损伤阈
值已经得到了深入研究, 我们知道当激光脉
宽大于几十皮秒时, 该阈值与脉宽的 1ö2 次
方成正比。为了产生烧蚀作用, 供给自由电子
的激光能量必须转换到晶格振动。从电子体
系转换到晶格振动体系的能量转换时间常数
为皮秒级。因此, 当脉宽小于皮秒时, 烧蚀阈
值将会大大偏离 1ö2 次方的法则, 而且烧蚀
后的表面状态也会发生变化。这种 1ö2 次方
法则的偏离与表面状态的变化, 可以通过飞
秒激光形成的超高速电离来解释。即当照射
强度大于 1012 W öcm 2 时, 与向晶格振动的能
量转换相比, 电子加热的速度非常快。因此,
造成局部电子加热, 形成离子雪崩电离, 在电
子密度到达临界密度之前激光被吸收。这时
吸收了激光的等离子体标长由上述膨胀速度
v p 与脉宽的乘积来决定, 使用飞秒脉冲时, 激
光等离子体的长度远远小于其波长。往这种
非常薄的区域里注入能量的结果是形成高温
高密度的等离子相。激光照射后, 该等离子体
迅速膨胀, 引起表面状态变化的同时, 又迅速
地被冷却, 将其对周围的热影响控制在最小
限度。
在实际的加工中, 使用纳秒脉冲时, 由于
热扩散, 在照射区的外侧会形成熔融相。因此
用它加工石英和玻璃等光学材料时的一个大
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问题是由于熔融相造成的热应力将会在加工
小孔的周围产生裂缝。与此相比, 使用飞秒激
光就能避免裂缝的产生。以下将介绍一个例
子, 即作为光媒体备受关注的T iO 2 的烧蚀加
工。由于 T iO 2 的吸收端在 430 nm 以下的紫
外线区域, 所以从可见光到近红外区都是透
明的。图 1 示出在 T iO 2 表面照射脉宽 150 fs
的钛蓝宝石激光与脉宽为 30 n s 的 K rF 激光
后的扫描电子显微镜照片。可以看出使用飞
秒钛蓝宝石激光时, 没有出现 K rF 激光照射
后产生的熔融相。这种熔融相不仅会降低加
工精度, 还会造成热应力皲裂。使用飞秒激光
器可以减小热影响, 能如图 2 所示在很接近
的部位打出多个小孔。
图 1 用 (a) 钛蓝宝石激光和 (b) K rF 准分子激
光照射 T iO 2 表面后的扫描电子显微镜照
片
图 2 在 T iO 2 表面用钛蓝宝石激光打出的高密
度小孔的扫描电子显微镜照片
3. 2 金属的烧蚀
金属加工中, 由于自由电子的等离子体
振荡会造成反射, 所以无法用低强度的如钛
蓝宝石激光等可见光到近红外区的激光进行
烧蚀。但是, 当激光强度大于 1010W öcm 2 时,
将会引起多光子吸收, 产生等离子体, 这些等
图 3 与激光脉宽相对应的金薄膜 (100 nm ) 内深
度方向的温度分布
图 4 用钛蓝宝石激光在不锈钢上以 45°角打直
径为 400 Λm 的小孔周围的 (a) 截面照片
(b) 放大照片
离子体又将吸收激光能量。在等离子体产生
之前, 金属与导电体不同, 由于表皮效应, 对
激光能量的吸收只限于表皮厚度极为浅表的
部分。如, 波长为 1 Λm 时, 表皮厚度只有 3
nm。图 3 示出将吸收长度假定为 3 nm 时, 用
皮秒脉冲激光照射后金属薄膜内温度变化的
计算结果。从图 3 可以看出, 如果使用皮秒以
下的超短脉冲, 几乎没有热传导造成的照射
激光能量的损失, 可以将照射区附近的温度
上升到升华点以上。与此相比, 脉宽长时, 热
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量将从照射区扩散到很大的区域, 温度上升
不大。因此, 用纳秒激光进行加工时, 激光照
射区的外侧被熔融相包围, 因为这种熔融相
粘性较大, 烧蚀后, 小孔的表面和周围会形成
突起物。
图 4 是在厚度为 750 Λm 的不锈钢上以
45°角打出直径为 400 Λm 小孔的截面图。激
光的重复率为 1 kH z, 脉宽为 120 fs。如图
4 (b) 将它放大后, 基本上看不到热量对熔融
的影响, 可以看到线条清晰的边缘。
3. 3 生物体组织及特殊材料的加工
热扩散造成的影响较小这一特点在要求
尽量减小对加工区周围造成压力和震荡的生
物体物质加工方面非常有用。
图 5 是用脉宽 350 fs 和 114 n s 的激光
脉冲在 10 H z 频率下照射牙釉质后的表面状
态。激光波长为 1 Λm。可以看出使用纳秒激
光, 表面将产生绝缘破坏, 由于震荡和热量造
成的压力使表面开裂。与此相比, 使用飞秒激
光, 没有照射区外的热扩散影响, 可以非常干
净地清除照射区域。
图 5 通过激光照射牙釉质产生烧蚀作用
在这一实验中, 还对厚度为 1 mm 的牙
齿试样按烧蚀速度 1 Λm ö脉冲照射激光脉冲
时的温度变化进行了测定。纳秒激光随着时
间的推移温度也上升几十度, 而飞秒激光几
乎没有发生温度上升。这种温度的上升, 在生
物体应用方面非常重要, 数度的温度上升可
能会对生物体组织造成致命伤。而这种温度
上升会在瞬间变成压力波传到神经细胞, 产
生痛感。因此, 使用飞秒激光器可以实现无痛
治疗。
飞秒激光加工热负荷小、压力小的特点,
还能有效地用于爆炸性化学物质等的切割加
工。 图 6 是其中一个例子。图片示出用 1
kH z、100 fs 的激光与 015 n s 的激光切割直
径 6 mm、厚度 2 mm 的 PETN 炸药后的情
况。实验
如果用 015 n s 的激光, 会由于
热负荷而起火。
图 6 用激光切割爆炸性颗粒
3. 4 透明材料的改性
图 7 采用飞秒激光在光纤中等离子体通道的形
成 (a) ; 以此所形成的波导样子 (b) ; 在一根
光纤内形成的 4 个波导 (c)
石英玻璃、蓝宝石、各种光纤等透明光
学材料与可见光或近红外的光子能量相比禁
带宽, 是用激光加工最困难的一类物质。但
是, 近年来, 对它们进行精密加工的需求越来
越多。最近, 有大量实验正在利用飞秒激光引
起的非线性效应对这些光学材料进行三维加
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工和改性。这里将介绍一下利用非线性效应
进行光学材料的改性。
用纳秒激光等长脉冲激光照射光学材料
时, 会由于克尔效应从强度超过 1012 W öcm 2
的附近产生自聚焦, 引起绝缘破坏, 造成永久
性损伤。与此相比, 利用飞秒激光能够避免损
伤, 改变光学材料的表面和内部性能。
图 8 通过等离子体沟道得到改性的部位的折射率
变化
图 7 是从石英纤维的一端照射脉宽 110
fs、重复率 1kH z 的钛蓝宝石激光, 对中心部
分进行改性的情况。这时, 激光强度达到阈值
时, 自聚焦与伴随电离产生的自发散达到平
衡, 激光脉冲在保持一定大小的小孔情况下
传播, 即产生所谓的沟道。在显微镜下观测产
生沟道的区域 , 可以看到长约10mm , 直径
5Λm 的区域得到了改性。图 8 是被改性区折
射率的测定结果, 可以看出经过飞秒激光照
射, 折射率增加了 0102~ 0103。图 9 是在此
纤维中透过H e2N e 激光, 对透过光束空间形
状的观测结果, 可以看出得到了单一模式。
图 9 通过 (a) 多模光纤与 (b) 等离子体沟道形成
的波导中产生的H e2N e 激光束射出形式
4
几年前, 谁也没有想到利用飞秒激光进
行加工会变得如此实用。但是, 最近的飞秒激
光技术的发展非常迅猛, 随着装置的小型化
及操作性能的提高, 在加工现场实现实用化
也变得现实起来。从以上介绍的一些例子可
以看出, 飞秒激光具有的潜在能力有非常大
的魅力。尤其是光学元件的精密加工, 以后将
变得越来越重要。我们期待着今后的发展。
(陈 艳; 晓 晨供稿)
(上接封三)
频域技术, 涉及到相位调制荧光计, 已经存在多
年。当激励光强度调制时, 荧光强度在同一频率也被
调制, 但其相位出现位移。这个位移反映荧光寿命。
纳秒级寿命要求 100 M H z 的调制频率, 直到数值信
号处理器问世之前, 所用的高频锁相放大器价格高
达 10 万美元。
“频率响应的应用限制在 80 M H z 和 100 M H z
之间, ”Peter H arm s 说,“限于蓝光二极管的响应率,
难以快速调制。”他说, 可以用新的紫光半导体激光
取代发光二极管获取更高频率的调制。该系统的优
势在于它的标价在 10000 美元和它的适应性、易操
作性。
H arm s 说, 该系统是同类研究工具中的佼佼者。
除了价廉, 它还足够小, 可以在实时工业设备上提供
寿命测量。“我们的实验室用寿命测量来检测传感
器, 这个设备允许我们决定每个化学传感器的最佳
频率。若采用单频的话, 商业传感系统将会更便宜。”
(余 婷)
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