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1、先进制造科学基础摘要：飞秒激光加工技术是涉及机械、物理、光学、化学、材料等交叉学科领域 的前沿技术，为精密微加工提供了一种全新的革命性技术，可用于制造微纳尺度 的机电系统、光电器件、能源器件、传感器、执行器、流体系统、光纤通信系统、 生物医疗/诊断仪器、未来单兵系统、纳米卫星、芯片实验室等，在核心电子器 件、高端通用芯片和极大规模集成电路制造装备及成套工艺等“十二五”国家科 技重大专项方面占有举足轻重的地位，也是目前国际的研究热点之一。本文主要 从飞秒激光加工机理和应用方面的特点与优势，对飞秒激光加工技术进行调研分 析与论述。关键字：飞秒激光，超快，加工，应用Abstract: Femtose
2、cond laser processing technology，involving mechanics, physics, optics, chemistry , material and other interdisciplinary fields, is an advanced technology and provides a new revolutionary technology for precision micro machining. It can be used in the manufacture of micro and nanoscale electromechani
3、cal system, optoelectronic devices, energy devices, sensors, actuators, fluid system, optical fiber communication system, biological, medical / diagnosis instrument, the future soldier system, nano satellite and lab on a chip etc. It has play a decisive role in the core electronic components, high-e
4、nd general chips and great scale integrated circuit manufacturing equipment and complete sets of technology in the Twelveth five major national science and technology projects, which is currently one of the research hotspots in the international. This article, mainly focused on the characteristics a
5、nd advantages of femtosecond laser machining mechanism and application research, analyses and discusses the femtosecond laser processing technology.Keywords： femtosecond laser; ultrafast; manufacturer;application.1.引言飞秒（fs，10-峰）激光是一种以脉冲形式运转的激光，具有极短的脉冲宽度 和极高的峰值功率。1981年，美国贝尔实验室的R. L. Fork及其合作者采用被动锁模原理
6、，在以Rhodamine6G为增益介质的碰撞锁模环形染料激光器中获得 脉宽小于100fs的激光脉冲，这标志着飞秒激光研究的开始。然而，染料激光器 存在很多缺点：染料介质要求溶解在有机溶剂中，需要采用喷流方式，结构复杂、 难以调试，不便于使用和携带，难以小型化和实用化，且大部分染料有毒性。因 此，染料激光器不利于现实的应用和商业化的发展。1991年，英国人D. E. Spence 等人采用20mm长的钛宝石品体作为增益介质，利用氩离子激光器全线泵浦，将 SF14玻璃棱镜对插入激光腔补偿钛宝石的材料色散，利用钛宝石的自锁模，获 得了 60fs的激光脉冲输出，首次成功研制了以钛宝石为增益介质的飞秒激
7、光器。 以钛宝石激光器为代表的固体激光器以其结构简单、可调协范围宽、输出功率高、 性能稳定、寿命长、无污染等优点逐渐取代了染料激光器，并获得了飞速发展。飞秒激光带来了实验室前所未有的高时间分辨率以及强电场、强磁场、高压 强和高温度的极端物理条件，引发了基础科学和技术科学的一场广泛而深刻的变 革。飞秒脉冲具有极高的时间分辨率和空间分辨率，在飞秒时间分辨光谱术，飞 秒化学，飞秒生物学等领域都有非常广泛的应用。飞秒激光可用于研究物理，化 学和生物过程中的动力学问题，成为观测和记录爆炸和化学过程等超快过程的重 要手段。2002年10月，德国和奥地利科学家利用飞秒激光成功观测电子运动， 从原子的层面上揭
8、示了微观物质运动的规律。飞秒激光在病变的早期诊断，医学 成像和外科医疗等方面都发挥着极其重要的作用。飞秒激光极高的峰值功率使得其在高次谐波产生，激光等离子体，激光加工， 激光核聚变、裂变，模拟宇宙学等方面应用广阔。飞秒激光利用其独特的优势， 克服长脉冲加工材料选择性大等缺点，可对不同材料进行精密加工。气态、液态、 固态的物质在高强度飞秒激光的作用瞬间变成等离子体，这种等离子体可以辐射 出各种波长的射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞 秒激光，0射线激光以及正负电子对。高功率的飞秒激光还可以将大气击穿，从 而释放云层中聚集的雷电，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击
9、 而造成的灾难性破坏。2.飞秒激光加工的特点飞秒激光具有脉宽极短（10-15秒），峰值功率极高的特点，其放大后峰值功 率可达太瓦（1012W）。这些特点使得激光加工的机理发生改变。飞秒激光加工与 传统机械及长脉冲/连续激光加工相比，具有独特的优势：超短的脉冲持续时间， 使加工热影响区减小，提高了加工质量；超强的峰值功率可以激发材料的双光子 /多光子效应，使其加工分辨率突破光衍射极限，提高了加工精度；此外，飞秒 激光还可以聚焦到透明材料内部加工复杂的三维结构。2.1热影响区小由于飞秒激光脉冲短，在加工时与物质作用时间也短。在飞秒级的作用时间 内，激光在很短的时间里使电子温度升到极高，而热量还没来
10、得及传递给周围的 材料，激光作用就已经结束，因此其热影响非常小，长脉冲激光带来的热影响区 的材料熔融在这里几乎可以完全忽略，可大幅度减少重铸、热损伤（微裂纹）和 热影响区。其加工区域可以被精确地控制在激光焦点处，加工边缘整齐精确，极 大地提高了加工精度。B.N.Chichkov和C.Momma等人为了研究激光烧蚀的理论模型及论证飞秒激 光微纳加工具有加工精度高的优点，设置了一系列激光与固体作用的实验。如图 1所示，在真空中使用不同脉宽激光烧蚀为100Mm的薄钢片的实验，使用飞秒 激光、皮秒激光和纳秒激光的能量密度均稍高于材料烧蚀阈值，分析比较烧蚀孔 洞的形貌。通过分析孔洞形貌：1、飞秒激光烧蚀
11、过程几乎没有热量传递的迹象， 加工孔洞周围只有一圈气体杂质环；2、皮秒激光烧蚀结果显示有液体相的产生，烧蚀不稳定；3、纳秒激光烧蚀结果表明有液相和气相的产生， 并且伴随气体冲击现象。因为液相的产生将带来加工的不稳定性，飞秒激 光烧蚀过程中无液相的产生，加工精度较高；由于作用时间短，几乎无热 量的传递，故能量利用率也较高。(a)脉宽为 80ps, 900gJ, F=3.7J/cm2； (b)脉宽为 3.3ns, 1mJ, F=4.2J/cm2； (c)脉宽 为 200fs, 120gJ, F=0.5J/cm2图1不同脉宽激光烧蚀薄钢片孔洞形貌2.2加工精度高飞秒激光与物质作用时能量密度极高，会激
12、发激光与物质作用时的一些非线 性效应。当用激光照射物质，电子通常吸收一个光子的能量，然后从基态跃迁到 激发态。这种电子跃迁的条件是入射光子的能量激发态和基态的带隙相当。所以 当单个光子的能量小于带隙时，就无法激发电子。但是，如果这种能态差相当于 两个或多个光子的能量时，则有可能依靠吸收两个或多个光子的能量使得电子发 生跃迁。这就是双光子/多光子吸收。由于材料发生双光子吸收的几率与激发光强度的平方成正比，激光能量成高 斯分布，由双光子吸收引发的光化学反应将被局限在光强度很高的焦点内极小的 区域内。虽然激光本身不能突破衍射极限的限制，但是因为加工时借助于双光子 激发，其作用区域远小于焦斑，使得加工
13、区域可以超越激光衍射极限的限制，大 大提高了该加工技术的分辨率，远远超出光学衍射的极限，达到几十纳米级别。在2001年，Nature刊载了一篇利用双光子聚合作用制造微机械的文 章。文中介绍了日本大阪大学的 Kawata和孙宏波等人根据飞秒激光双光 子吸收原理，利用负性光刻胶 SCR500，制造出相当于红细胞大小的 10p m长，7p m高的公牛三维图形（如图2所示），加工分辨率达到了 120nm， 突破了光学衍射极限的限制。图2利用双光子聚合制备的纳米牛，比例尺为2叩一2.3三维加工能力飞秒激光可以产生多光子非线性吸收，为了充分利用非线性光和材料的相互作用，通常使用近红外波长的光源。在这种情况
14、下，多光子吸收必 须在功率密度极高的焦点内很小的区域才会发生，在激光通过材料的其他 部分时，不会引起材料的反应，激光能够深入穿透大体积而无能量吸收损 失，这样就可以从内部裁剪材料，实现3D处理能力。在加工开始之前，3D图案事先可以被编辑在电脑中。进行加工时，激光根据已编辑的加工轨 迹进行扫描，可以实现三维加工。2.4应用范围广泛飞秒激光与物质作用时，每种物质都有自身的破坏阈值，由于飞秒激光聚焦 后可以达到极高的强度，超过绝大部分材料的破坏阈值，因此，飞秒激光可以加 工广泛的材料。可用于加工的材料包括金属、透明材料、高分子材料等，因此， 飞秒激光加工具有广泛的应用范围。飞秒激光加工技术由于具有瞬
15、时能量高、热影响小、加工分辨率高及加工材 料范围广等优点，较传统激光加工具有许多不可比拟的独特优势。因此，在加工 领域，飞秒激光技术得到了广泛的应用。3.1飞秒激光加工微结构基于能量高度集中、热影响区小、无飞溅无熔渣、不需特殊的气体环境、无 后续工艺、双光子聚合加工精度高等优势，飞秒激光在诱导金属微结构加工应用 方面和精细加工方面都取得了很大的进展。1）.孔加工；在1 mm厚的不锈钢薄片上，飞秒激光进行了具有深孔边缘清晰、表面干净 等特点的纳米级深孔加工（如图3a）；在金属薄膜上，钛宝石飞秒激光加工制备 出了微纳米级阵列孔（如图3b），孔径最小达215p m，孔直径在21510p m间 可调，
16、最小间距可达10p m，很容易实现1050p m间距调整。图3 （a）不锈钢薄片的深孔（b）金属薄膜上微纳米阵列孔2).金属材料表面改性；通过飞秒激光的干涉作用，与材料作用时能产生相应的周期性微结构。通过 飞秒激光双光束干涉、多光束干涉结合多次曝光和多层干涉等技术可以在各种材 料表面和体内制备一维、二维和三维等复杂周期结构。从而实现材料表面改性。3) .金属纳米颗粒加工；自1993年Henglein A等人首次利用激光消融法制备金属纳米颗粒以来，许 多研究小组制备出高纯度、粒度分布均匀的金属纳米颗粒。Link H等人进一步 控制飞秒激光的能流密度和照射时间，将金属纳米棒完全融化为金属纳米点。与 其它激光脉冲相比，飞秒激光改变的金属颗粒尺寸大小和特定形状，使金属纳米 颗粒特别是贵金属(
