飞秒激光微加工:激光精密加工领域的新前沿

飞秒激光微加工技术具有加工精度高、热效应小、损伤阈值低以及能够实现真正的三维微结构加工等优点,这些特性是传统的激光加工技术所无法取代的。首先回顾了激光微加工和超短脉冲激光技术的发展历史,然后介绍超短脉冲激光与金属和介质材料相互作用的机制,接着阐述了飞秒激光直写、干涉和投影制备等各种加工方法的原理,重点讨论飞秒激光在三维光子器件集成、微流体芯片制备及其在生化传感方面的应用等,最后展望了飞秒激光微加工领域所面临的机遇和挑战,指出了未来的研究方向。     

超短脉冲激光微孔加工(上)——理论研究

自20世纪60年代激光器被发明以来,其脉冲宽度被不断压缩至亚皮秒及飞秒量级,使得激光加工技术进入到了超短脉冲阶段。为了进一步优化超短脉冲激光的微加工,理论研究必不可少。主要论述了超短脉冲激光与不同类型材料之间的相互作用机制。简述了超短脉冲激光微孔加工中的典型物理特性,如等离子体效应、自聚焦和光丝效应及锥形辐射等。分析了超短脉冲激光微孔加工的理论研究现状,并得出了目前理论研究中存在的问题。     

飞秒激光功能扩展及精确控制

近年来飞秒激光技术持续地快速发展，不仅深化着强场物理、超快现象、THz辐射等学科的研究内容，而且也促成了飞秒激光频标测量技术、飞秒激光精密微加工技术、飞秒纳米学、阿秒激光脉冲产生等新学科的出现和重大突破。对于目前飞秒激光所涉及的众多应用研究，通常需要具有特性不同的飞秒脉冲，如强场物理研究突出的是飞秒激光的峰值     

超快光脉冲制造波导和微通道

20世纪 90年代初 ,密歇根大学的研究人员发现飞秒脉冲在与物质相互作用方面与长脉冲有着根本的不同 ,这一发现打开了通向普及激光精密微加工的道路。极短脉宽激光加工基本消除了对周围物质的热流动 ,可避免在多数标准加工技术中常发生的热致基质破坏。材料去除加工由以往用微秒、纳秒脉冲熔融去除变成用飞秒脉冲汽化或升华 ,产生的碎片和表面污染显著减少。另外 ,超短光脉冲与物质作用的阈值现象允许超快激光器以小于光波长的特征尺寸进行材料去除或打孔。在加工介电材料时 ,烧蚀阈值的严格性提高了精度和可再现性。过去两年中 ,许多小组评…     

微光学元件飞秒激光制备

超短脉冲激光不仅使人们得以在飞秒级时间分辨下研究物理、化学、生物学和光电子学等学科中的各类瞬态动力学过程，也使人们得以用很低的脉冲能量获得极高的峰值光强。近年来，利用飞秒激光的多光子过程进行微加工和微制备得到了广泛关注。由于飞秒激光脉冲持续时间极短，激光辐照区域淀积的能量难以通过热辐射途径逸出辐照区域，热     

“飞秒激光微加工——打孔”的文献综述

飞秒激光微加工技术作为一种新兴的加工技术,具有非接触、效率高、加工精度高、热效应小、损伤阈值低以及能够实现真正的三维结构微加工等传统技术无法比拟的诸多优点,其应用领域相当广泛。文章描述了飞秒激光加工透明材料时,激光能量沉积在光学趋肤层,热效应极小的特性。指出了目前打孔普遍利用激光的直写技术,针孔掩模加工技术可以改善孔形的事实。最后展望了飞秒激光微加工的研究方向。     

飞秒激光与硅的相互作用过程理论研究

理解超短激光与材料的相互作用过程与机理是开展超短激光加工等工程应用的基础。首先引入电子激发项、双光子吸收、俄歇复合项等改进双温,使其较准确地适应于飞秒激光与半导体硅材料的相互作用过程。然后,分析了热损伤效应和非热损伤效应的影响。最后,开展了双脉冲飞秒激光与硅的相互过程研究,并分析了电子密度、晶格温度对于损伤积累效应的影响。理论模型得到单脉冲激光损伤阈值为0.25 J/cm2,此时主要表现为热损伤;当入射能量密度大于0.53 J/cm2 时,主要表现为非热损伤。双脉冲激光作用表明,脉冲间隔不大于100 ns（激光重频10 MHz）表现出明显的热积累效应,并显著降低损伤阈值。此时,第一个脉冲造成的电子密度升高（1026/m3）对损伤的贡献较小;而第一个脉冲引起的晶格温升将导致极高的电子激发以及晶格温升（800 K）,对损伤起主要贡献作用。该研究对于激光微加工、激光防护等领域具有参考意义。     

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。     

基于超短激光的光纤微加工人机界面设计

为了实现对光纤微加工过程的自动控制,在研究了157 nm超短波长激光和飞秒超短脉冲激光的工艺规划基础上,开发了超短激光微加工的数控自动编程系统,即人机交互界面。该编程系统可以自动生成数控指令代码,用于工作台以及激光的辅助控制。人机界面可以根据选择的加工形状,模拟仿真加工的全过程,并能预测加工结果,以提高加工效率。该系统能够满足不同光纤微加工的实际需求。     

飞秒光学频率梳在精密测量中的应用

飞秒光学频率梳通过锁定飞秒锁模激光的重复频率和偏置频率至微波频率基准,在时域上得到重复频率稳定的飞秒脉冲激光,在频域上得到频率间隔稳定的激光频率梳。飞秒光学频率梳作为微波频率与光学频率的桥梁,可以实现对激光频率的直接精密计量,同时作为一种有别于传统连续波稳频激光的特殊激光光源,在激光频率标尺、绝对距离测量和精密光谱测量等光学精密测量领域都有着重要应用。综述了飞秒光学频率梳在若干光学精密测量应用中的研究进展、关键技术和研究动向,分析了其在未来光学测量中的重要作用。     

金属玻璃飞秒激光烧蚀特性

采用飞秒激光对Zr基金属玻璃在空气中进行了表面烧蚀、微打孔与微细切割等过程的研究.通过扫描电镜(SEM)、能量弥散X射线(EDX)能谱分析与透射电镜(TEM)及电子衍射等方法,分析了飞秒激光烧蚀金属玻璃的表面形貌与加工区域发生的相关效应.实验与分析表明加工区域周围无熔融和液滴溅射现象,热影响区极小,并且无晶化现象发生,但飞秒激光微细加工金属玻璃时存在极薄的表面氧化现象.研究结果表明,在适当选择参数的条件下,飞秒激光烧蚀是一种极有前途的金属玻璃无晶化微细加工方法.     

飞秒激光加工不锈钢微型悬臂梁的工艺研究

为了研究飞秒激光对不锈钢材料的加工工艺,采用基于飞秒激光材料烧蚀的微细加工方法,深入研究了飞秒激光高效高质量微细加工不锈钢材料的工艺条件与参量优化,并应用于微型不锈钢悬臂梁的制作。分析了激光能量密度、激光扫描速度、重复扫描次数对加工形貌和蚀除速率的影响,制作出了高质量的微米量级的不锈钢微型悬臂梁。结果表明,飞秒激光微细加工是一种极具前途与极具柔性的微机电系统器件加工手段。     

偏振光飞秒双脉冲微加工

利用具有纳焦能量、高重复频率的偏振光飞秒双脉冲对金属铬膜样品进行微加工,样品表面都会产生微突起状结构,它们的宽度在0～400 ps的双脉冲时延范围内没有明显的变化,但高度却都在1～10 ps的双脉冲时延范围内呈现明显的下降,在此时延范围之外并没有明显的变化。通过加工样品的扫描电子显微镜(SEM)图片发现,对于偏振光,利用双脉冲方法,可以获得更好的加工质量。并且线偏振光得到的微突起状结构比较细长,在入射光束的偏振方向上有所伸长;圆偏振光得到的微突起状结构比较接近圆形。即在低脉冲能量、高重复频率情况下,具体的微加工特征形貌与入射光束的偏振状态有关。     

飞秒激光加工聚苯乙烯中的缺陷形成原因

飞秒激光加工是一种高精度加工手段,加工中形成的缺陷对其适用性具有重要的影响。本文开展了聚苯乙烯飞秒激光加工试验,研究了聚苯乙烯在飞秒激光加工过程中的缺陷形成机理,以及光强、速度和环境等加工参数对此类缺陷形成的影响,最后得出了对材料形貌影响最小的加工条件。本研究对于指导聚苯乙烯的飞秒激光加工具有重要的意义。     

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。     

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。     

飞秒激光掩模版加工中的精度控制方法

飞秒激光掩模版加工和修复是近几年来微纳加工领域的研究热点之一,其中精度控制是获得高质量掩模版的关键.在飞秒激光脉冲对铬金属膜和石英基底材料破坏特性的理论基础上,利用一套输出脉宽25fs、最大功率1 W、中心波长800 nm、重复频率1 kHz的飞秒脉冲激光系统,实验研究了掩模特征单元尺寸与激光能量密度、扫描速度的关系,通过参数优化实现了最小特征尺寸为290 nm的掩模版加工;探讨了特征单元的边缘形貌和底部形貌受能量密度与扫描次数的影响规律,提出了加工参数的选取原则,最终实现了飞秒激光掩模版加工的精度控制和优化.     

飞秒激光诱导金属功能微结构的机理与应用

介绍了飞秒激光与金属相互作用的机理以及飞秒激光在金属超加工方面的一些最新应用。基于一维双温扩散模型分析了飞秒激光与金属相互作用的超快机制;介绍了飞秒激光加工光电倍增管电极,修复光刻掩膜．诱导白炽灯丝阵列微孔等一些工业应用。