飞秒激光微加工的研究进展

综述了近年来国内外利用飞秒激光微加工的研究进展。飞秒激光脉冲作为材料微纳加工的一项工具,已经从实验室进入到工业化阶段。介绍了飞秒激光在微纳加工领域的一些研究情况,分别就飞秒激光烧蚀微加工以及双光子聚合加工进行了阐述。最后分析了飞秒激光微加工目前存在的问题及未来发展的主要方向。     

飞秒激光在微加工领域的应用研究

飞秒激光具有超精细三维微加工、高聚焦能力、超强峰值功率、超短脉冲等特点,在其逐渐发展过程中飞秒激光以其自身的这些特点被应用到各个领域中,其中应用最多的就是飞秒激光的微加工技术。因此本文主要研究飞秒激光在微加工领域中微加工金属材料、微加工耦合器和光波导、微加工光子晶体、微加工光线器材中的具体应用。     

飞秒激光双光子复杂结构的微细加工

阐述了双光子激发的原理和飞秒激光三维加工的技术特点。利用自行研制的飞秒双光子微细加工系统，在优化工艺参数的基础上，加工出一系列三维微结构，并实现了可动的三维微系统一齿轮轴系统的一次成型。     

飞秒激光微加工中光斑横向超分辨研究

飞秒激光微加工中焦点光斑横向光场的分布直接影响到激光微加工的精度、分辨率和表面粗糙度等。利用激光束空间整形技术对激光束聚焦光斑进行调制,基于横向超衍射理论和优化算法进行了研究和分析,完成了一种0-结构四环横向相位板的设计。该相位板归一化半径为r1=0.16、r2=0.27、r3=0.49,获得的峰值能量S、焦斑尺寸GT、旁瓣能量MT分别为0.38、0.74、0.20。并且基于该相位板在激光微加工系统中进行了一种光致变色材料的相位板加入前后的对比加工实验,实验结果表明,在飞秒激光微加工系统中使用这种相位板可以有效地减小加工点的尺寸大小。     

飞秒激光在金属纳米材料制备和材料微结构加工中的应用

介绍了飞秒激光在高纯度金属纳米颗粒的制备及纳米颗粒的尺寸和形状的改变,玻璃内部形成基于金属纳米粒子的“三维空间选择性”析出的彩色图案的制备,有机聚合物微光子器件的制备以及光存储、光波导和光开关器件的制备等方面的应用。     

飞秒激光双光子微细结构的制备

基于双光子吸收引发的光聚合局限在紧密聚焦的焦点区域的原理,建立了飞秒激光三维微细加工系统;结合高斯光束的强度分布函数,推导了横向与轴向分辨率的表达式。在ORMOCER材料内实现了双光子光聚合,最高加工精度达到0.7μm。研究表明,加工线宽随功率增加而增加,随加工速度增加而减小;确定了波束腰为0.425μm,双光子吸收截面为2×10-54cm4.s。采用双光子光聚合技术,加工了齿宽5μm的实体微型齿轮,制备三维木堆型光子晶体结构,分辨率为1.1μm,杆间距和层间距均为5μm,实现了飞秒双光子光子晶体结构的制备。     

飞秒激光直写铒镱玻璃波导激光器的优化设计

为了对双向抽运的飞秒激光直写铒镱共掺磷酸盐玻璃波导激光器进行数值模拟,采用铒镱共掺系统的速率方程及传输方程,对波导尺寸、激光器后腔镜反射率、掺杂铒镱离子浓度比等参量进行了优化。得到当波导长度为10mm、后腔镜反射率为0.6、掺杂铒镱离子浓度比为3.6,975nm波长400mW抽运时,有1535nm波长57mW的激光输出。结果表明,计算结果和国外相关报道的实验结果相近,能够为飞秒激光加工有源玻璃波导及其激光器设计提供一定的理论依据。     

关于飞秒近场显微术的研究

简要评述了当前热门研究－飞秒脉冲激光用于近场光学显微镜的研究进展，主要介绍了一种结合飞秒脉冲激光器和近场光学显微镜、具有飞秒时间分辨率和纳米空间分辨率的新型设备，及其在飞秒近场光谱学、超精细修复和加工、微纳米超快开关等多个前沿领域的应用。对可能出现的问题和其发展前景也进行了初步的分析。     

飞秒激光双光子制造生物微器件微支架

介绍了飞秒激光双光子吸收和光聚合的机制,将飞秒激光技术应用于生物相容性材料(ORMOCER)的三维微纳米加工中.在ORMOCER材料内实现了双光子光聚合,最高加工精度达到0.5 μm,突破了衍射极限.推导出双光子光聚合阈值的数学表达式,研究了扫描速度V和激光功率P对横向尺寸的影响规律.在此基础上采用飞秒激光双光子微细加工技术制备了典型的微生物器件--微井阵列、微柱阵列和光子晶体生物微型支架.     

飞秒激光诱导波纹状微突起结构

利用飞秒激光振荡器产生的脉冲对镀有铬层的玻璃和石英基片进行微加工,发现两种样品表面均有波纹状的微突起结构产生。这些微突起结构离开样品表面的高度为10～300nm不等,并且随着激光功率的增大而增加,在一定功率下达到饱和状态。它们的形貌、尺寸和高度取决于入射飞秒激光的能流以及飞秒脉冲的参数。通过化学方法证明了这些微突起结构是由玻璃和石英的主要成分SiO2组成的,并非样品表面的铬元素。此外,通过选取适当的飞秒激光功率和样品加工速度,制作了两种不同周期和线宽的光栅结构,显示出飞秒激光振荡器良好的加工性能。     

飞秒激光散斑相关法

利用飞秒激光散斑的信息,可以得知散射体的空间运动信息.为此提出了飞秒激光散斑相关测量技术,将散射体变化或移动前后的飞秒散斑场分别用CCD探测器记录下来并储存于计算机中,对移动前的飞秒散斑场和移动后的飞秒散斑场进行相关性运算,就可以确定出散射体的有关特性或移动量,实现对飞秒散斑场移动实时测量.结果表明,实验中散射体的位移量与用相关算法得到散射体的移动量相吻合,证实了飞秒散斑相关法测量的可行性.     

飞秒激光技术与相关学科

本文阐述了超快激光发展的四个阶段及其内容、特点。对当前超快激光的研究特点、发展方向进行了综述。对与飞秒激光技术相关的几个新兴学科, 如飞秒激光物理学、飞秒激光化学、飞秒光孤子通讯和飞秒电子学给予概括评述。     

基于光子晶体光纤飞秒激光放大器的微纳加工系统

以掺镱大模面积光子晶体光纤(PCF)飞秒激光放大器为光源组建了一套结构紧凑且运行稳定的飞秒激光微纳加工系统,中心波长为1040 nm,重复频率50 MHz,最大平均功率16 W,光栅压缩后脉冲宽度85 fs。利用该套系统在硅片、金属薄膜(Cr膜、Al膜)上演示了微图案的刻划,并与采用重复频率1 kHz的固体钛宝石飞秒激光放大器的加工结果进行对比,发现利用新组建的加工系统进行微纳加工,由于单脉冲能量较小且便于调节,使得刻划微图案时边缘加工效果更容易控制,且避免了加工过程中未加工区域受到的污染,保护了制作衬底。显示了该套系统高重复频率和高平均功率的特性及其在改善微纳加工效果及明显提高加工效率方面的优势。     

利用块状介质进行飞秒强激光脉冲的腔外压缩

高强度飞秒激光脉冲的腔外压缩是获得高次谐波阿秒脉冲驱动源的必要手段.实验研究了超强超短飞秒激光脉冲在经过块状介质后的光谱展宽和色散补偿压缩现象.单脉冲能量0.26 mJ,脉宽50 fs的激光脉冲经透镜在空气中聚焦后再入射到块状材料上,出射脉冲光谱被展宽到接近40 nm.由于在块状材料中的自聚焦效应,出射光束质量变好并保持较小的空间啁啾.利用熔融石英棱镜对补偿带有正色散的出射脉冲,最后得到＞0.1 mJ,19 fs的压缩脉冲.利用SPIDER装置测量了出射脉冲的脉宽和光谱相位.整个系统的能量效率大约为35%,压缩后的激光脉冲具有很好的空间分布和平滑的时域包络.实验结果实现了利用块状材料对飞秒激光脉冲的腔外压缩,这种方法将适用于对更高能量飞秒脉冲的压缩.     

飞秒激光刻划铌酸锂实现极化反转的实验研究

采用飞秒激光加工制作周期性极化铌酸锂（PPLN）。实验中利用飞秒激光加工机的高精密加工的特性，在晶体＋Z面刻划出周期性条纹，条纹周期以及深宽比可调，并加均匀的高压电场，通过改变晶体表面形状来影响晶体内部电场分布。实验观察到沿飞秒激光刻划方向有明显的极化现象，以及加工参量对极化反转的影响。该方案比纳秒激光刻划精度高，影响区小，可以做到更高深宽比且保持刻槽规则的形状。直接用激光刻划，无需掩模和光刻工艺．具有较大的灵活性，作为改进制作周期性极化铌酸锂的可选方案，更适合做各种新型器件。     

飞秒激光烧蚀研究进展

介绍飞秒激光烧蚀材料的机理论模型，阐述飞秒激光烧蚀的特性，揭示飞秒激光烧蚀的广泛应用前景。     

飞秒激光扫描不同温度下的硅片诱导形成微结构的差别

不同温度下利用钛宝石激光器输出的飞秒激光脉冲(脉宽42fs,中心波长800nm,最大单脉冲能量3.6mJ),通过扫描方式在硅表面诱导产生表面微结构。采用光学显微镜和扫描电镜观察飞秒激光诱导硅表面微结构的形貌,发现不同温度下硅片表面形成的微结构区域和形貌出现明显的差异。根据观测结果,分析比较了不同温度条件下硅材料微结构形成的能量阈值。随着温度升高,形成的微结构区域减小,飞秒激光诱导形成硅表面微结构的能量阈值升高。这对于研究飞秒激光与物质的相互作用有一定的参考价值,也能对将来实现硅表面微结构的制作提供参考。     

飞秒激光在超快过程中的应用研究

认识微观世界的超快过程是为了认识真实世界,超快激光技术是研究会眼快过程的必要条件,本文阐述了近年来飞秒激光在有代表性的超快过程中的应用目的、应用必要性,应用实现方法和结果以及应用进展等。