飛秒
激光開始應(yīng)用到微納加工領(lǐng)域始于20世紀90年代初。正是由于飛秒激光具有持續(xù)時間短及高脈沖功率密度的特性，使得其與物質(zhì)相互作用時具有許多獨特的優(yōu)點：確定的燒蝕閾值，規(guī)則的加工邊緣，層層微加工以及可加工任何材料等。最近研究結(jié)果表明：飛秒激光微細加工在微
光學、微電子、微機械、微生物、微醫(yī)學等多個領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。不同學科、不同實驗具有不同的具體要求，這就需要采取相應(yīng)的加工手段來實現(xiàn)特定加工目的，囚此飛秒激光深孔加工技術(shù)等加工工藝開始引起越來越多研究者的重視。
){.J `X5r |# zznT" 激光整形技術(shù)是指在激光腔內(nèi)或腔外采用光學元件改變光束形態(tài)實現(xiàn)光束整形。飛秒激光脈沖整形有別于傳統(tǒng)整形概念，主要是在保留原有高峰值功率特性基礎(chǔ)上，在光路中引人擴束器、濾波器以及衍射模板等光學器件，達到縮小聚焦尺寸、去除高斯光束周圍熒光成分、減少脈沖形變及多種形狀加工等目的。常用的是空間濾波和掩�？刂萍夹g(shù)�？臻g濾波是實現(xiàn)對光束邊緣熒光的屏蔽效用，實現(xiàn)聚集點光學質(zhì)量的改善，掩�？刂剖峭ㄟ^掩模形狀來實現(xiàn)對脈沖的調(diào)制，以達到確定的加工目的。
!1H\*VM " 2@ (Qd3N( 本文采用聚焦
物鏡與接收材料同步運動的方法，可以很容易地將焦點前后脈沖的空間形態(tài)在材料表面以二維平面圖形式表示出來。在聚焦物鏡前加小孔掩模板，通過小孔直徑及小孔前后脈沖能量的變化，可直觀觀察到光束空間形態(tài)的改變。最后，實驗選取合適參數(shù)，成功刻劃出邊緣光滑的透射型金屬
光柵。
sH>Z{xjr ^'|\8 1 實驗裝置及方法
o9:GKc xCd9b:jG 實驗設(shè)備采用的是Clark公司飛秒
激光加工工作臺(UMW-2110i，Clark-MXR Inc.)。激光具體參數(shù)為：中心波長775nm，脈寬148 Fs，重復頻率1kHz，最大單脈沖能量1mJ，在光路上加衰減片可以調(diào)整脈沖能量，聚焦前光斑直徑5mm；掩模小孔直徑可調(diào)范圍為0.5～10mm；接收材料為噴濺法鍍在溶石英基片上的金膜(厚度約為300nm)。飛秒激光經(jīng)掩模小孔后由5×顯微物鏡(有效
焦距為40 mm)聚焦金膜表面。采用物鏡與接收平臺同步運動的方法，將焦點前后脈沖的空間形態(tài)以二維平面圖形式在金膜表面顯示出來；加工結(jié)果采用透射式光學
顯微鏡和SEM進行分析測試。實驗裝置如圖1所示。
@ a1+ m*h, <,}-+ 物鏡由平臺承載做軸向(Z軸)移動，材料由X-Y軸承載，同步運行Z軸和X軸就能夠?qū)⒔裹c附近軸向范圍內(nèi)達到材料閾值的長度在金膜上記錄下來，焦點位置是從材料表面之上移到材料內(nèi)部，與此相對應(yīng)，圖像中是由右到左。結(jié)果可以和瑞利長度相比較進行分析。
YJO,"7+ h%Nbx:vKk 2 實驗結(jié)果分析
Bpjwc<U 9 xvE?8;M# 通常的，如果知道激光中心
波長，
透鏡的焦距f和入射光在透鏡前表面處的束腰半徑ω，就可以得到瑞利長度ZR，瑞利長度的表達式為：
C <.t'| aeESS;JxJj 式中：ω0=λ0f/πω，為焦點處束腰半徑。由于實驗采用的是物鏡，從有效工作距離較難推出真正的束腰半徑，實驗中ω0采用刀口法測量了焦點處束腰半徑值為11.5μm，所以5×顯微物鏡瑞利長度約為0.54mm。
fU+A~oL%I J jCzCA:K_ 而焦點附近軸向范圍內(nèi)光束半徑ω（z）的變化是與瑞利長度和焦點處束腰半徑有關(guān)的函數(shù)，如圖2所示，其表達式為：
U~SOHfZ%( nJTV@m XVq 實驗通過改變圖1中針孔直徑大小，觀察焦點附近光軸方向所能實現(xiàn)燒蝕區(qū)域的變化情況，分別采用保持針孔前和針孔后脈沖能量不變的兩種情形，在金膜表面記錄下焦點附近光束傳輸形態(tài)。圖3為上述兩種情形下顯微圖像。其中，Z軸和X軸運行速度均為0.3mm/s，單脈沖能量在小孔前后分別為91.7μJ，Z軸和X軸行程均為600μm，圖中由上至下針孔直徑依次為∞、4mm、3mm、2 mm。
$?OuY*ZeY9 HHbkR2H1 從圖3(a)可以看出，不加針孔(開孔)時，燒蝕區(qū)域在焦點附近基本為對稱分布，且偏離焦點位置時，燒蝕線寬迅速增加，成紡錐型分布。隨著小孔加入，通光尺寸變小，燒蝕區(qū)域線性尺度逐漸降低，聚焦點位置與兩翼燒蝕線寬差異明顯減少，甚至有遠離透鏡跡象(見針孔直徑為2mm的情況)。改變脈沖能量而保證小孔后的能量一致，燒蝕現(xiàn)象沒有明硅差異(見圖3(b))，只是燒蝕線寬有所加大。上述現(xiàn)象通過式(1)和(2)可以很好的解釋：加入小孔后，由于孔徑的限制，使得照射到透鏡表面束腰半徑ω減小，造成焦點處的束腰半徑ω0有所增加，瑞利長度ZR變大，因而在式(2)中，焦點附近束腰半徑ω(z)隨z的變化比不加小孔時減弱，宏觀上就得到了圖3中比較平緩的加工結(jié)果。
