超短、超強(qiáng)和高聚焦能力是飛秒激光的3大特點(diǎn)。 飛秒激光脈寬可短至4 fs(1 fs=10-15s)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1020-1022W／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(shí)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(laser oem)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。
1 國內(nèi)外飛秒激光微加工技術(shù)研究狀況
1．1飛秒激光微加工基礎(chǔ)理論的研究
飛秒激光加工(laser oem)機(jī)理的研究、試驗(yàn)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)。
(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(yàn)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(fèi)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。
(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(shí)驗(yàn)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(shí)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。總之，關(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(diǎn)。
1．2飛秒激光微加工系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
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(shí)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(shí)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(shí)用性、全光纖等方面還有很大的發(fā)展空間。
另外，對比國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，可以看出國內(nèi)存在的差距：①國內(nèi)生產(chǎn)飛秒激光器、微加工系統(tǒng)的知名公司較少；②完全用國產(chǎn)元件搭建的飛秒激光系統(tǒng)甚少；③國內(nèi)飛秒激光微加工基本上停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，真正用于超快、微加工領(lǐng)域?qū)嶋H生產(chǎn)的極少。
2 飛秒激光微加工技術(shù)的應(yīng)用
2．1飛秒激光加工(laser oem)微結(jié)構(gòu)
基于能量高度集中、熱影響區(qū)小、無飛濺無熔渣、不需特殊的氣體環(huán)境、無后續(xù)工藝、雙光子聚合加工精度可達(dá)0．7μm等優(yōu)勢，飛秒激光在誘導(dǎo)金屬微結(jié)構(gòu)加工應(yīng)用方面和精細(xì)加工方面都取得了很大的進(jìn)展。
(1)孔加工在1mm厚的不銹鋼薄片上，飛秒激光進(jìn)行了具有深孔邊緣清晰、表面干凈等特點(diǎn)的納米級深孔加工(如圖1a)；在金屬薄膜上，鈦寶石飛秒激光加工(laser oem)制備出了微納米級陣列孔(如圖1b)，孔徑最小達(dá)2.5μm，孔直徑在2．5～10μm間可調(diào)，最小間距可達(dá)10μm，很容易實(shí)現(xiàn)10-50μm間距調(diào)整。
(2)金屬材料表面改性1999年，德國漢諾威激光中心Nolte S等人首次報道了結(jié)合鈦寶石飛秒激光三倍頻光(260 nm)和SNOM(掃描近場光學(xué)顯微鏡)在金屬鎘層制出了線寬僅200 nm的凹槽。為以后的無孔徑近場掃描光學(xué)顯微鏡(ANSOM)取代SNOM奠定了基礎(chǔ)，獲得了高達(dá)70 nm的空間分辨率，開拓了遠(yuǎn)場技術(shù)在納米范圍下的物理化學(xué)特性以及輸運(yùn)機(jī)制的研究。
(3)金屬納米顆粒加工自1993年Henglein A等人首次利用激光消融法制備金屬納米顆粒以來，許多研究小組制備出高純度、粒度分布均勻的金屬納米顆粒。Link H等人進(jìn)一步控制飛秒激光的能流密度和照射時間，將金屬納米棒完全融化為金屬納米點(diǎn)。與其它激光脈沖相比，飛秒激光改變的金屬顆粒尺寸大小和特定形狀，使金屬納米顆粒特別是貴金屬(Au、Hg、Pt、Pd等)在催化、非線性光學(xué)、醫(yī)用材料科學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
(4)金屬掩模板加工 新加坡南洋科技大學(xué)Venkatakrishnan K等人利用飛秒激光直寫方法制作了以金屬薄膜為吸收層、石英為基底的金屬掩模板，并將前入射與后入射兩種方案作了比較，發(fā)現(xiàn)采用前入射的方法能夠得到更小的特征尺寸和好的邊緣質(zhì)量。并且利用飛秒激光超衍射極限加工有效地修補(bǔ)了金屬鎘掩模板的缺陷，修復(fù)的線寬達(dá)到小于100 nm的精度。目前構(gòu)建的飛秒激光修正光掩模板工具已在IBM的柏林頓、佛蒙特州的掩模制作設(shè)備中運(yùn)行。這對微電子技術(shù)的發(fā)展將具有重要意義。
(5)復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)加工①耐熱玻璃上的水渠道結(jié)構(gòu)(圖2)，邊緣質(zhì)量較好。但結(jié)構(gòu)的精確性、表面和底端形態(tài)還有待改進(jìn)；②光敏樹脂里面制作的世界上最小的人造動物模型：10μm長，7μm高的公牛；③ScR500樹脂內(nèi)制備的約10μm的微型金字塔和房子模型；④光刻膠上飛秒雙光子聚合(Two- Photon P01ymerization：TPP)的微型蜘蛛和恐龍模型(圖3)等。
這些都為飛秒激光加工(laser oem)將在高密度內(nèi)聯(lián)接印刷電路板、MEMS制造、微納米過濾技術(shù)中具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景奠定了基礎(chǔ)。
2．2光通信領(lǐng)域
光通信的高速率、大容量和寬帶寬的發(fā)展方向，要求光電器件的高度集成化。而集成化的前提是光電器件的微型化。因此，光電器件的微型化是當(dāng)前光通信領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)。近年來，相比傳統(tǒng)的光電技術(shù)，飛秒激光微加工技術(shù)將成為新一代光電器件的制造技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者在光波導(dǎo)的制備技術(shù)等諸多方面進(jìn)行了有益的探索，取得了很大的進(jìn)展。
(1)光波導(dǎo)的制備光波導(dǎo)易于和光纖通信系統(tǒng)耦合且損耗小，在頻域中呈現(xiàn)出豐富的傳輸特性，成為光纖器件的研究熱點(diǎn)。與離子注入法和熱擴(kuò)散型離子交換法等目前常用的制作方法相比，飛秒激光制作波導(dǎo)在室溫環(huán)境下進(jìn)行，過程簡單，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在高溫時仍 能保持良好的質(zhì)量和穩(wěn)定性。美國學(xué)者用飛秒激光制備的增益光波導(dǎo)長1 cm，可產(chǎn)生3 dB／cm的信號增益。大阪大學(xué)的Watanabe W等用85 fs、重復(fù) 頻率l kHz、單脈沖能量1．5 μJ的鈦藍(lán)寶石激光制作 的多模干涉波導(dǎo)陣列，實(shí)現(xiàn)了高階模輸出。目前， 利用計算機(jī)精密控制飛秒激光加工(laser oem)平臺，可以在材料內(nèi)部的任意位置制得任意形狀的二維、三維或單模光波導(dǎo)。
(2)光柵的制備光柵在光通訊、色散補(bǔ)償、光纖傳感等領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對光柵提出了更高的要求：①不同幾何形狀排列，如六角陣列光柵；②在光纖內(nèi)部刻劃，如Bragg(布拉格)光纖光柵。傳統(tǒng)加工方法工序繁雜、制作的光柵穩(wěn)定性差、壽命短。而飛秒激光微加工克服了這些缺點(diǎn)，永久性改變折射率，改變量高達(dá)0．05，實(shí)現(xiàn)直接刻劃，順應(yīng)了現(xiàn)代光柵微型化和多樣化的發(fā)展趨勢。Mihailov S等人采用鈦寶石飛秒激光在摻鍺通信光纖纖芯上獲得的反射Bragg光柵，具有折射率調(diào)制范圍廣，溫度穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。
(3)光子晶體的制備光子禁帶和光子局域是光子晶體的兩大特征，使其極有可能取代大多數(shù)傳統(tǒng)的光學(xué)產(chǎn)品。但是微米甚至亞微米級三維復(fù)雜光子晶體的制備技術(shù)是急需解決的關(guān)鍵問題。飛秒激光雙光子聚合法靈活，加工精度高，是制備光子晶體的理想選擇。Sun H B等人采用飛秒激光制出任意晶格的光子晶體，它能單獨(dú)地為單個原子選址。serbin J等人采用飛秒激光雙光子聚合得到結(jié)構(gòu)尺寸小于200 nm，周期為450 nm的三維微結(jié)構(gòu)和光子晶體㈣J。Markus Deubel采用飛秒激光直接掃描法制出應(yīng)用于無線電通信的三維光子晶體。國內(nèi)的戴起勛等制出桿、層間距均5μm，共4層，分辨率為1．1μm的層狀木堆型光子晶體(如圖4)。
(4)光存儲使用高分辨率存儲材料無疑會增加記錄密度，而采用超短激光進(jìn)行亞微米級操作會得到更好的效果。飛秒激光多光子吸收作用引起材料的永久性光致還原現(xiàn)象，為超高密度三維立體光存儲提供了一個全新的思路，存儲密度可達(dá)1013bits／cm3。其特點(diǎn)：①快速的數(shù)據(jù)讀、寫、擦寫、重寫；②并行數(shù)據(jù)隨機(jī)存?。虎巯噜彅?shù)據(jù)位層間串?dāng)_??；④存儲介質(zhì)成本低。飛秒激光三維立體光存儲技術(shù)成為當(dāng)前海量存儲技術(shù)發(fā)展的一個新研究方向。
(5)微通道的制備聚合物力學(xué)性能好，具有生物相容性，而且飛秒激光光束幾乎可以毫無衰減地到達(dá)透明材料內(nèi)部的聚焦點(diǎn)，入射激光唯有在該點(diǎn)位置才能獲得較高的功率密度，發(fā)生非線性多光子吸收和電離，實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)任意部位三維微結(jié)構(gòu)的直寫。采用150 fs鈦藍(lán)寶石脈沖激光在聚甲基丙烯酸甲脂(Polymethyl Methacrylate：PMMA)內(nèi)制備出最小直徑2μm、最長達(dá)10 mm的微通道(如圖5)，道壁光滑且沒有裂紋，沒有損壞透明材料表面，這種微通道將廣泛用于生物醫(yī)學(xué)技術(shù)如DNA拉伸、微統(tǒng)計分析系統(tǒng)等。
2．3生物醫(yī)療領(lǐng)域
飛秒激光具有"冷"加工、能量消耗低、損傷小、準(zhǔn)確度高、三維空間上嚴(yán)格定位的優(yōu)點(diǎn)，最大限度地滿足了生物醫(yī)療的特殊要求：①手術(shù)風(fēng)險低，可對同一患處進(jìn)行多次手術(shù)，治療愈合周期短；②相比傳統(tǒng)手術(shù)刀，醫(yī)源性感染少；③"全激光"手術(shù)，無刀勝有刀，精確度高；④無痛，無并發(fā)癥。
目前，在此方面取得的研究進(jìn)展有：①在牙齒、隱形眼鏡上鉆孔，邊緣干凈、無損傷；②非熱性手術(shù)切割燒蝕腦組織樣品b51；③納米切割人體染色體；④制作血管支架，力學(xué)性能好，可望解決血管再狹窄問題，即治療冠心?。虎蒿w秒激光飛行質(zhì)譜DNA排序；⑥飛秒激光激發(fā)的熒光顯微術(shù)對小鼠植入前胚胎內(nèi)細(xì)胞中的鈣信號和染色體實(shí)現(xiàn)真正的三維、四維實(shí)時成像。等。最具有現(xiàn)實(shí)意義的是美國INTRALASE公司的Intmlase飛秒激光，可以按任何角度、形狀設(shè)計制作光滑而且厚度均勻一致的角膜瓣，精確到±10μm。至今Intralase飛秒激光的LASIK手術(shù)已經(jīng)超過30萬例，臨床統(tǒng)計它的精度要超過傳統(tǒng)角膜刀 100多倍。IntraLase"飛秒激光"的出現(xiàn)，使人類第一次在眼角膜手術(shù)上離開了手術(shù)刀，真正實(shí)現(xiàn)了"全程無刀手術(shù)"?，F(xiàn)在科研者正努力將其用于青光眼及白內(nèi)障等手術(shù)中。在生物醫(yī)學(xué)中，飛秒激光僅局限為一種外科手術(shù)工具，要想將其廣泛用于醫(yī)學(xué)診斷、生物活體檢測、蛋白質(zhì)分析等方面，還有許多技術(shù)層面上的問題需要研究和解決。#p#分頁標(biāo)題#e#
此外，飛秒激光微加工技術(shù)在一些特殊領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景：①鉆孔、切割高熱導(dǎo)性、高熔點(diǎn)金屬 (如錸、鈦等)和高硬度金剛石。②安全切割一些高爆危險物品如：LX-16、TNT、PETN、PBx等，避免了長脈沖激光線性吸收、能量轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散等的影響，斷面處沒有炸藥熔化和反應(yīng)的痕跡。但在研究切割雷管時，由于熱感度較高，處理過程中發(fā)生了爆炸H1|，應(yīng)該深入研究分析，使之能夠被安全切割。③利用飛秒激光觀測分析物理化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)，有望控制核聚變，以獲得可控的無污染核聚變能源。④將光頻與波頻聯(lián)系起來的飛秒光梳技術(shù)，為更精確的頻率機(jī)構(gòu)一光鐘的誕生鋪平了道路。
3 展望
飛秒激光微加工還處于起步階段，該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用還需解決一系列的關(guān)鍵技術(shù)問題：(1)目前沒有形成一套完整的理論來解釋：在超快、超短、超強(qiáng)的極端條件下，激光與物質(zhì)相互作用的物理本質(zhì)；(2)加大力度投資生產(chǎn)飛秒激光器、微加工系統(tǒng)，將其體積進(jìn)一步小型化；改善其微加工的工作環(huán)境，延長其壽命等； (3)針對飛秒激光微加工的特性以及被加工材料的屬性，開發(fā)模型設(shè)計的軟件，對加工過程進(jìn)行模擬和仿真，實(shí)現(xiàn)最佳參數(shù)加工；(4)飛秒激光微納加工應(yīng)用現(xiàn)階段都只局限于實(shí)驗(yàn)室階段，盡快探索其產(chǎn)業(yè)化途徑，解決一些在能源、材料、環(huán)境、航天以及國防方面國家急需解決的問題；(5)降低加工成本，實(shí)現(xiàn)高效率生產(chǎn)，以滿足市場需求。
可以肯定，隨著工業(yè)需求的擴(kuò)大和技術(shù)的進(jìn)步，飛秒激光微加工技術(shù)將會變得越來越成熟，它將會不斷地開辟新的研究領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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