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2008-11-13 21:45 |
飛秒激光微加工技術(shù)的概述及其展望
綜述了飛秒激光微加工技術(shù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，介紹了飛秒激光微加工在光學(xué)、微電子及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，展望了飛秒激光微加工技術(shù)未來發(fā)展的趨勢以及需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。 超短、超強(qiáng)和高聚焦能力是飛秒激光的3大特點。 飛秒激光脈寬可短至4 fs(1 fs=10-15 s)以內(nèi)…，峰值 功率高達(dá)拍瓦量級(1 Pw=1015w)聚焦功率密度達(dá)到1020-1022 W／cm2。飛秒激光可以將其能量全部、快速、準(zhǔn)確地集中在限定的作用區(qū)域，實現(xiàn)對玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體、塑料、聚合物、樹脂等材料的微納尺寸加工，具有其它激光加工無法比擬的優(yōu)勢：①耗能低，無熱熔區(qū)，"冷"加工；②可加工的材料廣泛：從金屬到非金屬再到生物細(xì)胞組織，甚至是細(xì)胞內(nèi)的線粒體；③高精度、高質(zhì)量、高分辨率，加工區(qū)域可小于焦斑尺寸，突破衍射極限；④對環(huán)境沒有特殊要求，無污染。飛秒激光微加工是當(dāng)今世界激光、光電行業(yè)中極為引人注目的前沿研究方向。世界各國學(xué)者在飛秒激光與材料相互作用機(jī)理研究方面已取得重大的進(jìn)展，開發(fā)出以鈦寶石激光器為主的飛秒激光微加工系統(tǒng)，開展了飛秒激光微納加工的工藝研究，促進(jìn)了多學(xué)科的融合，推動著飛秒激光微納加工技術(shù)向著低成本、高可靠性、多用途、產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展。飛秒激光微加工技術(shù)將在超高速光通訊、強(qiáng)場科學(xué)、納米科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用和潛在的市場前景。本文旨在綜述飛秒激光微加工技術(shù)國內(nèi)外的研究狀況，介紹飛秒激光微加工的重要應(yīng)用，展望其今后的發(fā)展趨勢。 X(b"b: j'
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1 國內(nèi)外飛秒激光微加工技術(shù)研究狀況 P]Hcg|&
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1．1飛秒激光微加工基礎(chǔ)理論的研究 ?c vXuxCm
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飛秒激光加工機(jī)理的研究、試驗大多是探索陛的，多與長脈沖情形相比較而確定飛秒激光的燒蝕特性，在一定程度上解釋了飛秒激光與物質(zhì)相互作用的物理本質(zhì)。目前理論研究較系統(tǒng)的材料有金屬和透明介質(zhì)。 R!v ?d2
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(1)金屬前蘇聯(lián)Anisimov SI等人于1975年第一次提出了超短脈沖燒蝕金屬材料的雙溫模型。該模型從一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程出發(fā)，考慮到超短脈沖作用時，存在光子與電子、電子與晶格兩種不同的相互作用過程，列出了電子與晶格的溫度變化微分方程，即雙溫方程。一些學(xué)者以該模型為基礎(chǔ)，在不同的激光脈寬下對雙溫方程進(jìn)行約化，求得解析解"-。發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光脈寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于晶格的受熱時間時，燒蝕時間不依賴于激光脈寬。試驗得到的金屬銅材料的燒蝕速率與雙溫模型基本一致。1999 年，F(xiàn)alkovsky L A和Mishchenko E G基于玻爾茲曼方程和費米狄拉克配分函數(shù)提出熱電子爆炸模型來描述金屬材料中的超快形變。2002年，chen J K等人綜合雙溫模型及電子爆炸模型，假定單軸應(yīng)變?nèi)S高壓條件，提出了一系列相關(guān)聯(lián)的瞬時熱彈性變形方程。數(shù)值結(jié)果表明，超短激光脈沖燒蝕過程中，非熔融態(tài)損傷占支配地位，這種非熔融態(tài)損傷的主要動力來源于熱電子爆炸力。 7VP[U,
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(2)透明介質(zhì) 1990年，Hand D P和RusseU P St J根據(jù)K-K(Kmmers-Kronig)因果關(guān)系提出了色心模型，該模型的前提是假設(shè)光敏效應(yīng)產(chǎn)生于缺陷處局域電子的激發(fā)。在一定范圍內(nèi)解釋了折射率變化的原因。但RusseU、Williams等人分別通過吸收光譜測量及進(jìn)行K．K變換發(fā)現(xiàn)得到的折射率變化與實驗結(jié)果有兩個數(shù)量級的差異。隨后有學(xué)者提出了偶極模型、壓力模型、應(yīng)力壓縮模型等。1997年，哈佛大學(xué)Maur E領(lǐng)導(dǎo)的小組研究了飛秒激光在熔融SiO2、BK7光學(xué)玻璃等透明材料內(nèi)部產(chǎn)生的微爆炸現(xiàn)象。除化學(xué)氣相沉積金剛石外，均導(dǎo)致了直徑為亞微米的立體像素，通過分析表明：飛秒激光在透明介質(zhì)中引發(fā)的強(qiáng)烈自聚焦效應(yīng)使激光焦斑尺寸小于衍射極限，微爆炸形成一個微腔，腔周圍是高密度材料。2002年，德國 Henyk M等人分析了飛秒激光燒蝕藍(lán)寶石，表明燒蝕的基本過程是由于表面爆炸即庫侖爆炸所引起的。另外，該小組還研究了飛秒激光燒蝕NaCl及BaF2等寬帶隙晶體材料，同樣證實了庫侖爆炸的合理性。2003年，Egidijus Vanaga8等人采用納焦能量的飛秒激光在硼酸硅玻璃形成丘狀納米結(jié)構(gòu)，燒蝕機(jī)理與庫侖爆炸相一致。丘狀燒蝕物沒有明顯的熔融和環(huán)形凹痕，受損部位的橫向尺寸小于聚焦樣品表面的焦斑4至5倍，這與多光子效應(yīng)所導(dǎo)致的破壞機(jī)理相一致�？傊P(guān)于飛秒激光與材料相互作用的物理機(jī)制，目前還沒有一個統(tǒng)一的看法，這個問題仍然是未來研究的熱點。 c8o $WyO
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1．2飛秒激光微加工系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 I b)>M`J
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飛秒激光出現(xiàn)以來，啁啾脈沖放大、以鈦寶石晶體為主的增益介質(zhì)、克爾透鏡鎖模。和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡等技術(shù)促使著它從染料激光器發(fā)展到自啟動克爾透鏡鎖模激光器，以及后來的二極管泵浦全固態(tài)飛秒激光器和飛秒光纖激光器。為滿足科研和生產(chǎn)進(jìn)一步發(fā)展的要求，國內(nèi)外學(xué)者仍然致力于飛秒激光器研究，紛紛搭建起微加工系統(tǒng)。飛秒激光系統(tǒng)由振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器4部分組成。表1是近年來國內(nèi)外最具有代表性的飛秒激光器、微加工系統(tǒng)。從表l可以看出：①輸出脈寬大約幾百飛秒，真正短到幾飛秒的甚少，因而平均功率較低，限制了它在商業(yè)中的應(yīng)用，生產(chǎn)效率較低；②工作穩(wěn)定性提高，壽命延長，如暢銷全球的CPA- 21××系列的種子光有20年的平均無故障時間；③實現(xiàn)MHz的重復(fù)頻率輸出；④可調(diào)諧波長范圍變廣，加工精度、光束質(zhì)量較高；⑤利用它的超快特性，逐漸實現(xiàn)三維精細(xì)加工。但飛秒激光系統(tǒng)在小型化、可調(diào)可控性、實用性、全光纖等方面還有很大的發(fā)展空間。 #&Zb8HAj
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