超短脈沖激光器已經(jīng)在一些需要極高精度的商業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮作用。IBM公司利用飛秒光器消除光刻掩模中大小僅為10nm的缺陷,以制作最先進(jìn)的集成電路。在準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)(LASIK)中,IntraLase公司開發(fā)的飛秒激光系統(tǒng),能夠比傳統(tǒng)刀片更為精確地切割角膜皮瓣。這些都是飛秒激光應(yīng)用的先驅(qū)。新一代飛秒激光的應(yīng)用包括:在硅中寫三維波導(dǎo)、加工微流裝置,以及在活體細(xì)胞內(nèi)無需在細(xì)胞膜上刺孔就可以進(jìn)行手術(shù)。
作用于材料的超快效應(yīng)
用強(qiáng)脈沖照射材料能夠激發(fā)非線性吸收過程,從而改變材料的形態(tài)或鍵結(jié)構(gòu)——引起局部膨脹、收縮,或改變材料內(nèi)部的折射率,以及燒蝕材料表面。中佛羅里達(dá)大學(xué)(University ofCentral Florida)的DavidRichardson稱:“我們確實(shí)是利用材料科學(xué)研究材料表面。”理解這些結(jié)構(gòu)變化,將有望開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。
對于表面燒蝕而言,超短脈沖吸引人的地方是其更高的精度。脈寬大于35ps的脈沖,會(huì)將熔化的材料噴濺到燒蝕區(qū)周圍,并且將周圍區(qū)域加熱以至產(chǎn)生損傷。飛秒脈沖能夠?qū)⒏叩姆逯倒β蕰?huì)聚到更小的區(qū)域,產(chǎn)生波長不敏感的非線性效應(yīng),從而對材料進(jìn)行燒蝕,并且?guī)缀鯇χ車膮^(qū)域不會(huì)產(chǎn)生熱損傷——這對掩模修復(fù)等高精度加工至關(guān)重要。
#p#分頁標(biāo)題#e#超短脈沖在打孔方面的應(yīng)用也頗具吸引力,因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)高厚徑比的小孔。去年五月的國際激光器和光電子學(xué)會(huì)議(CLEO)上,德國 FriedrichSchiller大學(xué)的研究小組報(bào)道了光纖放大激光器輸出的800fs脈沖,能夠在脈沖重復(fù)率接近1MHz的情況下,在幾微秒的時(shí)間內(nèi)在1mm厚的不銹鋼上打孔。高重復(fù)率能夠確保殘余的脈沖能量不會(huì)在脈沖間隙耗散到靶區(qū)以外,從而減小打孔所需的脈沖數(shù)。
用超短脈沖在透明固體中制作三維結(jié)構(gòu)具有廣闊前景。通過高數(shù)值孔徑透鏡對光束聚焦,能夠使表面處的光強(qiáng)低于損傷閾值,但材料內(nèi)部焦點(diǎn)處會(huì)聚的光強(qiáng)足以使材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。
如果使用數(shù)值孔徑為0.65的透鏡將40~150nJ的脈沖聚焦,可以產(chǎn)生閾值最低的非線性效應(yīng),它會(huì)使材料的折射率變大。盡管研究人員對該過程的細(xì)節(jié)還并不完全清楚,但通常認(rèn)為,非線性吸收會(huì)將焦點(diǎn)處在短時(shí)間內(nèi)加熱到熔點(diǎn)以上,此后玻璃迅速固化為具有更高折射率的致密態(tài)。玻璃的兩種特別性質(zhì)對該效應(yīng)起到貢獻(xiàn)——玻璃的密度隨溫度升高而增加,并且如果固體快速冷卻的話,它將維持熱液體所具有的更高密度。令一系列脈沖入射到材料并同時(shí)移動(dòng)焦點(diǎn),可以寫高折射率波導(dǎo)。Schaffer表示,重復(fù)率越高效果越好,因?yàn)槿刍约袄鋮s動(dòng)力學(xué)行為,能夠消除脈沖間的相對變化,從而獲得損耗更低、更為平滑的波導(dǎo)。
在相同的聚焦條件下,150~500nJ更高功率的入射脈沖,將導(dǎo)致交替的玻璃層內(nèi)折射率發(fā)生雙折射變化,從而獲得納米尺度光柵。脈沖會(huì)在電磁場的一個(gè)分量上消耗一個(gè)玻璃薄層,并且消耗的玻璃會(huì)轉(zhuǎn)移到相同分量的相鄰位置,在該過程中產(chǎn)生平面納米裂紋,排列方向取決于脈沖的偏振方向。加拿大國家研究委員會(huì)的研究人員通過實(shí)驗(yàn)表明:利用偏振方向不同的光,能夠擦除并重寫納米裂紋。該技術(shù)在全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面具有應(yīng)用價(jià)值。
峰值功率更高的脈沖將使玻璃蒸發(fā),導(dǎo)致材料從焦點(diǎn)處向外蒸發(fā)、并留下過密層包圍的空缺。空缺大小可以小于波長,并且一系列脈沖能夠在玻璃表面下產(chǎn)生諸如螺旋形等雜圖案。該效應(yīng)可用于加工內(nèi)部衍射透鏡或菲涅爾波帶片,它可以對通過玻璃的光束聚焦。密歇根大學(xué)超快光學(xué)#p#分頁標(biāo)題#e#中心的AlanHunt稱,該效應(yīng)還能用于在玻璃內(nèi)制造微流通道。微流通道的直徑能夠小到20nm,但更大的通道更容易觀察。Hunt使用常規(guī)的光刻方法在玻璃表面刻蝕平面通道,但采用飛秒脈沖制造三維結(jié)構(gòu)。在加工過程中,他將玻璃浸沒在液體中,以消除激光燒蝕通道產(chǎn)生的碎片。
飛秒激光脈沖還可用于精密的外科手術(shù),因?yàn)榛铙w組織在較短距離內(nèi)相對透明。目前該領(lǐng)域取得的最大成功是屈光手術(shù)中采用的準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)(LASIK)。相比于其他屈光性角膜切削術(shù)(PRK),LASIK的優(yōu)點(diǎn)在于能夠保留角膜的外層而不是將它燒蝕掉。但這需要首先用刀片切割角膜上皮,將其卷起后再用激光燒蝕角膜。這種切割過程帶來的問題,是導(dǎo)致LASIK病人出現(xiàn)并發(fā)癥的主要原因。
為了改進(jìn)上皮切割,加州大學(xué)Irvine分校的TiborJuhasz將飛秒激光脈沖聚焦到角膜表面下所需的深度處。首先在角膜下切割,然后向上切割以打開上皮。他建立了IntraLase公司,以對該技術(shù)進(jìn)行商用推廣。該套激光系統(tǒng)造價(jià)昂貴,并且需要病人支付額外的費(fèi)用,但Shaffer稱這套系統(tǒng)物有所值。他說:“采用該療法的并發(fā)癥發(fā)病率如此之低,以至于按照統(tǒng)計(jì)確定度恒量幾乎測不出來。”
飛秒激光外科手術(shù)在生物醫(yī)學(xué)研究方面的應(yīng)用尤為引人注目。Schaffer稱:“在生物方面,你做的很多事就是將一些東西破壞,然后看看究竟會(huì)發(fā)生什么。”飛秒脈沖能夠到達(dá)組織內(nèi)部并將目標(biāo)結(jié)構(gòu)破壞,如單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞或亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。
加州大學(xué)SanDiego分校的NozomiNishimura與DavidKleinfeld顯示了飛秒脈沖能夠損傷小血管,以模擬輕度中風(fēng)。目前神經(jīng)學(xué)家認(rèn)為,輕度中風(fēng)是造成老年癡呆癥的主要原因。重度中風(fēng)的后果非??膳拢?yàn)樗鼘p壞大片組織。然而輕度中風(fēng)能以不同的方式影響較小的區(qū)域,因此受影響的細(xì)胞仍能獲得氧,但不能獲得葡萄糖。飛秒脈沖使研究人員獲得了研究輕度中風(fēng)最早的生物模型,這是人們在開發(fā)對癥療法方面邁出的至關(guān)重要的一步。#p#分頁標(biāo)題#e#
在更為基礎(chǔ)性的研究中,飛秒脈沖還能破壞單個(gè)亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。Hunt顯示了破壞具有定制生命周期的細(xì)胞內(nèi)某一細(xì)胞器官,能夠延長細(xì)胞的壽命。他還用飛秒脈沖改變細(xì)胞分裂所涉及的力學(xué)結(jié)構(gòu),以研究這些結(jié)構(gòu)起到的作用。
前景展望
誠然,飛秒脈沖在許多潛在應(yīng)用中存在局限性。與改變材料的其他精密工具相似,飛秒脈沖的速度比不上一些其他技術(shù)。Hunt稱光刻能夠以更快的速度寫二維結(jié)構(gòu),但超短脈沖在三維加工方面更具優(yōu)勢。但是目前光脈沖還不能到達(dá)不透明材料的深處。
然而,飛秒脈沖在某些應(yīng)用中具有顯著優(yōu)點(diǎn)。這些應(yīng)用涉及的范圍極廣,本文提到的只是很少的幾個(gè)方面。據(jù)Richardson稱,隨著超快光纖激光器的迅速發(fā)展,其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹芤骖H多。相比于統(tǒng)治飛秒激光領(lǐng)域多年的摻鈦藍(lán)寶石激光器而言,光纖激光器體積小,造價(jià)低,更加耐用并且性能穩(wěn)定。制作新型結(jié)構(gòu)的能力必將開辟更多的應(yīng)用機(jī)會(huì)。目前,Richardson正使用飛秒激光器加工光學(xué)波導(dǎo),它可以將光耦合到在相同的集成裝置上制造的微流通道中 ——這是飛秒脈沖的一種全新能力。
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