飞秒激光技术在材料加工中的应用

飞秒激光及其应用

飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。飞秒脉冲是如此的短，目前已经达到了4fs以内。1飞秒（fs） ,即10-15s ,仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1min而已；飞秒脉冲又是如此之强，采用多级啁啾脉冲放大（CPA）技术获得的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦（TW，即1012W）甚至拍瓦（PW，即1015W）量级，其可聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高。飞秒激光完全是人类创造的奇迹。

近二十年来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器，以及后来的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，虽然说脉冲宽度和能量的记录在不断刷新，但最大进展莫过于获得超飞秒脉冲变得轻而易举了。桑迪亚国家实验室的R.Trebino说:“过去10年中, （超快）技术已有显著改善, 钛蓝宝石激光器和现在的光纤激光器正在使这种(飞秒) 激光器的运转变得简洁和稳定。这种激光器现在人们已可买到, 而10年前,

你却必须自己建立。”

根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合, 使人们可以研究半导体的纳米结构(量子线、量子点和纳米晶体)中的载流子动力学。在生物学方面,人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/ 探测技术, 研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存贮方面。

激光技术在材料制备与加工中的应用

激光技术发展概述

激光最大的应用领域之一就是材料加工，，主要是1kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理及微加工等，激光器已成为一种不可缺少的工业工具，CO2、Nd：YAG和准分子激光器是当前用于材料加工的三种主要激光器。半导体激光技术的迅速发展使得二极管激光器、二极管泵浦全固态激光器、光纤激光器和超短脉冲激光器在工业应用中有了光明的前景。除了材料加工外，医用激光器是国外第二大应用。激材料加工用激光器常采用气体激光器和固体激光器两类，如表1所示。

表 1用于材料加工的激光光束的基本特征

类别 激光名称 波长 光子能量 能量范围 激活介质 工作方式

气体激光器 CO2激光器 10.6μm 0.117ev 1105W CO2 连续、脉冲

XeCl激光器 308μm 4.03ev 1102W XeCl 脉冲

XeF激光器 351μm 3.53ev 1102W XeF 脉冲

ArF激光器 193μm 6.42ev 1102W ArF 脉冲

KrF激光器 248μm 5.00ev 1102W KrF 脉冲

固体激光器 YAG激光器 1.06μm 1.17ev 1103W Nd3+ 连续、脉冲

激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光发散角小和单色性好，理论上可通过一系列装置把激光聚焦成直径与光的波长相近的极小光斑，在焦点处达到很高的能量密度（焦点处的功率密度可达1071011w/cm2），其光热效应产生极高的高温，在此温度下任何坚硬或难加工的材料都将瞬时急剧熔化和气化，并产生强烈的冲击波，使熔化的物质爆炸式地喷射出去。激光加工是将激光束照射到工件的表面，利用激光束与物质相互作用的特性，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能，实现对材料的切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一系列的加工，是一门涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的综合技术。与传统加工方法相比，采用激光加工具有如下特点：

飞秒激光微加工技术在微加工中的应用

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可达0．7μm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1mm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M级深孔加工(如图1a>；在金属薄膜上，钛宝石飞秒激光加工制备出了微纳M级阵列孔(如图1b>，孔径最小达2.5μm，孔直径在2．5～10μm间可调，最小间距可达10μm，很容易实现10-50μm间距调整。

(2>金属材料表面改性1999年，德国汉诺威激光中心Nolte S等人首次报道了结合钛宝石飞秒激光三倍频光(260 nm>和SNOM(扫描近场光学显微镜>在金属镉层制出了线宽仅200 nm的凹槽。为以后的无孔径近场扫描光学显微镜(ANSOM>取代SNOM奠定了基础，获得了高达70 nm的空间分辨率，开拓了远场技术在纳M范围下的物理化学特性以及输运机制的研究。 (3>金属纳M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M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M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M棒完全融化为金属纳M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M颗粒特别是贵金属(Au、Hg、Pt、Pd等>在催化、非线性光学、医用材料科学等领域具有广阔的应用前景。

(4>金属掩模板加工 新加坡南洋科技大学Venkatakrishnan K等人利用飞秒激光直写方法制作了以金属薄膜为吸收层、石英为基底的金属掩模板，并将前入射与后入射两种方案作了比较，发现采用前入射的方法能够得到更小的特征尺寸和好的边缘质量。并且利用飞秒激光超衍射极限加工有效地修补了金属镉掩模板的缺陷，修复的线宽达到小于100 nm的精度。目前构建的飞秒激光修正光掩模板工具已在IBM的柏林顿、佛蒙特州的掩模制作设备中运行。这对微电子技术的发展将具有重要意义。

飞秒激光空间整形贝塞尔光束加工具有抗反射性能的三维表面探究

摘要：随着微纳加工技术的进步，对于高精度、高效率、高可靠性微纳加工的需求不息增加。飞秒激光加工技术因具有高精度、高质量、高效率等优点，逐渐成为一种热门的微纳加工技术。本文基于飞秒激光空间整形技术，对贝塞尔光束的三维表面进行探究，探究其对于抗反射性能的影响。通过分析试验结果发现：飞秒激光空间整形贝塞尔光束加工的三维表面具有较强的抗反射性能，其反射特性明显优于传统的平面加工，具有更好的应用前景。

关键词：飞秒激光；空间整形；贝塞尔光束；抗反射性能；微纳加工

1.引言

微纳加工技术已经成为当今探究的热点领域，其在微电子、生物医学、纳米光学等方面的应用越来越广泛。飞秒激光加工技术因具有高精度、高质量、高效率等优点，成为一种分外具有进步潜力的微纳加工技术。在飞秒激光加工中，飞秒激光空间整形技术可以实现对激光束的空间形态进行调整，从而实现对加工形态的调整，具有更加灵活、高效的优点。

2.试验设计 本试验使用飞秒激光器作为加工光源，针对传统平面加工和飞秒激光空间整形贝塞尔光束加工进行对比探究。通过分析测试样品的反射特性，比较两种加工方式对于抗反射性能的影响。

3.试验结果

通过试验测试，我们得到了样品的反射特性曲线，对样品进行了比较。结果发现，飞秒激光空间整形贝塞尔光束加工的样品反射率遥低于传统平面加工的反射率。这表明飞秒激光空间整形技术具有较强的抗反射性能，可以更好的满足微纳加工需求。

4.结论

通过本试验探究，我们可以得出结论：飞秒激光空间整形贝塞尔光束加工具有较强的抗反射性能，其反射特性明显优于传统的平面加工。随着微纳加工技术的进步，飞秒激光空间整形技术具有更好的应用前景。

5.谈论与分析

传统平面加工方式是在材料表面进行匀称的加工，而飞秒激光空间整形贝塞尔光束加工方式则可以实现对加工点的精准控制，更好地适应复杂几何形态的加工需求。此外，贝塞尔光束具有优异的聚焦性能和较强的抗散射能力，可以缩减样品表面的缺陷问题，从而改善其反射特性。