飞秒激光加工及其应用

飞秒激光加工及其应用 罗晓娜，刘金合，唐建宇 (西北工业大学材料学院，陕西西安710072) 摘 要：综述了激光短脉冲化的飞秒激光发展史，重点论述了飞秒激光的加工机理和特点。飞秒激光 独特的光束特性决定了他是一种理想的微细加工工具，可以实现聚合物的制备，可以对各种透明材料内部 进行三维加工和改性，另外在生物学领域也有着独特的应用。本文最后还展望了飞秒激光加工未来的发 展方向。 关键词：短脉冲化；飞秒激光；微细加工 中图分类号：TG456．7 文献标志码：A 世界上第一束人造激光由美国物理学家西奥多 ·梅曼在1960年利用一个红宝石棒研制而出。激 光作为一种崭新的光源，具有高度的方向性、单色 性、光亮度和相干性，换句话说激光可以在很大的相 干体积内有很高的相干光强。激光作为20世纪的 一项重大发明，带来了光学及其应用技术的革命。 近几十年来的发展明，激光科学和技术有力促进 了物理学、化学和生物学的发展[1]。 1 飞秒激光发展史 从人类实现红宝石激光器的脉冲振荡以来，激 光短脉冲化的研究，作为基础物理的一个领域得到 了稳健的发展，同时，由于激光短脉冲具有的快、微、 强等特性，使其在微细加工等领域具有独特优势，也 同样促进了激光短脉冲化进程的发展。飞秒激光就 是在激光短脉冲化的过程中发展壮大起来的。激光 诞生时的振荡脉冲宽度是微秒级，峰值功率也只有 几十千瓦，仅仅一年后利用调Q技术，脉冲宽度便 降低到了10_8s量级。1965年人们利用被动锁模 技术在红宝石激光器中直接得到了皮秒级的脉冲宽 度，此后，超短激光脉冲技术得到迅速发展[2]。 飞秒激光首先是在染料激光器中利用碰撞脉冲 锁模的原理得到的。70年代，染料激光器采用锁模 技术得到亚皮秒脉冲之后，伴随着宽带可调谐激光 晶体和自锁模技术的出现，超短脉冲的激光技术获 得了突飞猛进的发展。1985年R．L．Fork等人已 经获得了27fs的超短脉冲。1987年，他们又利用 自相位调制和光栅压缩的原理，得到了短至6fs的 激光脉冲。随后锁模钛宝石激光器的问世，解决了 染料激光器所固有的缺点，1991年Spence等人首 次研制出自锁模钛宝石飞秒激光器，获得60fs的 脉冲宽度口]。其后，为了克服固体激光物质对飞秒 激光放大时产生的自聚焦效应而开发了脉冲放大技 术，对于飞秒激光的发展具有非常重要的意义。 1994年，利用脉冲放大技术获得了小于10fs的激 光脉冲[4{]。 自1993年起，科研人员开始研发飞秒光纤激光 器。飞秒光纤激光器同气体或常规固体激光器相 比，具有结构简单、散热效果好、转换效率高、可靠性 能高等优点[6]。以被动锁模技术为主导的超短脉冲 激光器，目前是飞秒光纤激光器研究的一个热点。 另外，采用半导体激光器为泵浦源的Yb基飞秒固 体激光器，具有热应变小、工作效率高的特点，最近 已成为工业用飞秒加工装置的主流[7]。 ． 2飞秒激光加工的机理和特点 飞秒是时间单位，1飞秒就是10_13s。近20年 来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激 光器，以及后来的飞秒光纤激光器和二极管泵浦的 全固态飞秒激光器，飞秒激光的脉冲宽度和能量的 记录都在不断刷新。以脉冲形式工作的飞秒激光， 具有脉冲持续时间极短、脉冲瞬时功率极高、聚焦电 磁场场强极强等特点。 2．1飞秒激光加工机理 飞秒激光脉冲的光束特性决定了他是激光微细 加工中最理想的工具阳]。飞秒激光加工可以实现小 于焦点光斑尺寸的精度加工，原因在于多光子吸收 的光强依赖性。首先，飞秒激光加工时存在着准确 的多光子吸收阀值。从光和物质相互作用的角度而 言，飞秒激光是在极短的时间、极小的空间尺度、极 端的物理条件下对物质进行加工，其过程与传统的 激光加工线性吸收不同，主要涉及多光子吸收[9]。 多光子吸收与照射的激光强度I，以及电磁场强度 密切相关，强的激光强度同时又激励了强的电磁场， 这样极大的刺激了多光子吸收。当激光强度I，位 于1012～10“W／cm2时，材料中的电子将同时吸收 多个光子，在高强度激光电磁场中可以容易地从原 子和分子中剥离电子而产生电离；当激光强度J，增 ·48· 《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究2008年第2期 万方数据 加到1014～1016W／cm2时，激光强光场产生的电势 将使得原子固有势垒在一定程度上得到抑制，从而 导致电子通过隧道效应获得电离；当激光强度继续 增加，J，大于1016W／cm2时，强场势能使得电子从 原子束缚中彻底逃逸。这些电离产生的电子作为种 子电子，又可以进一步吸收光子产生更多的自由电 子。这些种子电子密度不依赖于外在介质，并且不 呈现大的统计波动，光对物质的作用就从统计属性 变成了一种确定行为，具有准确的加工阀值[10。。 其次，激光光束光强在空间呈高斯分布或类高 斯分布[11|，聚焦光斑的能量分布不均匀，使得光斑 内的光强分布存在很大的梯度，这样聚焦到物质上 的激光强度I，就是位置z和时间t的函数。光斑中 心区域的光强极高，超过了多光子吸收阀值；而其它 部分的光强相对较低，低于多光子吸收阀值。对于 能量有限的飞秒激光脉冲而言，只有超过多光子吸 收阀值的照射区域，才会出现明确的加工行为。所 以，这就不难理解飞秒激光加工时得到小于聚焦光 斑尺寸的加工精度了。 2．2等离子体屏蔽的回避 在传统的激光加工中，从固体表面喷出并膨胀 的等离子体会吸收激光，通过等离子体中的热传 导，使激光能量注入加工领域。当照射激光的脉宽 与等离子体的形成时间相比足够长时，激光等离子 体频率与照射激光频率达到平衡，即在临界密度领 域被遮蔽，无法再继续进入被加工物质，这就是所 谓的等离子体屏蔽。按通常的激光脉冲标准来说， 持续时间小于10ps(相当于热传导时间)的激光脉 冲属于短脉冲。作为超短脉冲的飞秒激光，由于激 光等离子体从表面向外侧膨胀时的膨胀速度约为 104m／s，如果使用的激光脉冲宽度在100fs以下， 很明显，在等离子体膨胀之前，激光照射即已停止， 从而回避了等离子体屏蔽[1扪。 2．3热扩散的回避 ． 飞秒激光加工的最大特点是与物质的热扩散相 比，激光脉冲可以在更短的时间内将能量注入到被 加工区域。也就是说，在照射到材料中的能量热扩 散之前，激光脉冲即已结束，所以能量不存在照射区 域的热扩散问题，从而可以得到极高的热效率精加 工。即使对于热扩散系数大的金属，当脉冲宽度为 100fs时，激光照射产生的热扩散长度也只有1 nm，所以基本可以忽略热扩散问题。 因为回避了热扩散，而消除了热扩散效应带来 的几个不利的影响。首先，减少了因热扩散而损失 掉的能量，提高了激光的热加工效率。其次，由于不 存在热扩散降低激光聚焦点的温度，使得该区域不 会有仅处于熔融状态的材料，从而避免了熔融材料 的飞溅引起的材料污染和清除污染物所需要的加工 成本。再者，没有热扩散，就不会产生热影响区；同 时也不会产生导致结构损坏的冲击波，这样就不会 损坏临近结构组织，不产生微裂纹，从而提高了激光 微细加工的精确度和质量。 飞秒激光脉冲在微细加工中具有许多独特的加 工优势，主要表现在。 1)飞秒激光加工的组织中没有熔融区，没有重 铸层，不产生微裂纹。这是飞秒加工的最重要特征。 避免了热熔化的存在，实现了相对意义上的“冷”加 工，大大减弱和消除了传统加工中热效应带来的诸 多负面影响[1引。 2)飞秒激光加工精度高，不受光的衍射极限的 限制，具有很高的空间分辨性。 3)飞秒激光加工对材料没有选择和限制性，可 以对任何材料进行精细加工、修复和处理。 4)飞秒激光加工需要的脉冲能量阀值极低，一 般只有毫焦耳量级，这决定了加工能量的低耗性。 5)加工过程不产生导致结构损坏的冲击波，不 损坏临界的结构组织。 3飞秒激光在微细加工的应用 1)飞秒激光能对石英、玻璃、晶体、光纤等各种 透明材料内部进行三维加工和改性。在透明材料 中，束缚电子的电离能大于激光光子的能量，而传统 的激光加工手段，往往无法跨越物质线性吸收的能 量门槛。对于透明材料而言，只有当注射到材料的 激光光强大于多光子吸收阀值时，才能激发透明材 料对光子能量的吸收。当飞秒激光照射透明材料 时，飞秒激光在极短的时间和极小的空间内与物质 相互作用，又没有能量扩散损失等现象，这样在极短 时间内向作用区域内集中注入的能量获得了高效积 聚，伴随着的等离子体喷发带走了几乎原有全部的 热量，使得作用区域内的温度急剧下降。迅速升温 然后骤然降温，结果导致光学透明材料内部性能发 生改变，其中主要是引起了折射率的变化。同时又 不会产生破坏损伤，所以使用飞秒激光能够对光学 透明材料进行内部三维结构微加工。已有的研究已 经证实使用飞秒激光可 以直接加工或者直接写 入光波导、波导分束器 和三维二元数据存储， 甚至用飞秒激光直接写 入微光学仪器[13|。图1 ．所示为采用飞秒激光加图1飞秒激光加工的硅模型 《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究2008年第2期 ·49· 万方数据 工的高质量微型硅模具，显示了飞秒激光在硅基材 料三维微制备领域的巨大应用前景。 2)可以通过飞秒激光双光子聚合微细加工技 术来实现聚合物的制备。在工业上，由于聚合物具 有很强的可适应性和热稳定性，因此聚合物的精密 加工就具有十分重要的意义。在飞秒激光微细加工 的多光子吸收现象中，当满足一定条件时，存在着一 种特殊的双光子吸收机制。 飞秒激光双光子聚合微细加工技术作为一种制 备技术，他借助于相应的设备与技术来引导激光焦 点的扫描路线，把高能量密度的飞秒激光照射到液 体的小分子有机物下，当激光能量超过了双光子吸 收阀值时，则在大于吸收阀值的焦点中心的小部分 会发生双光子聚合反应，并同时产生固化，生成大分 子的聚合物，这样就得到了需要的三维结构制件。 这种技术的应用具有相当大的灵活性，可以根据聚 合物材料的选择不同得到不同的加工效果和不同的 应用价值，同时具有远远超出衍射极限的分辨本领 和真正的三维立体加工。所以这种方法具有相当的 吸引力和巨大的应用潜力。在最新的研究发现中， C．R．Mendonca研究小组使用加工材料为MEH— PPV的共轭聚合物，探索了飞秒激光脉冲能量对材 料加工成形的影响。研究中采用旋涂成膜法，采用 脉冲宽度100fs，波长800nm，重复率为76MHz， 能量2．0nJ的飞秒激光加工得到了MEH—PPV 的沟槽原子力显微图片，见图2。这种有机电致发 光材料因其特有的光学性能，今后将在有机发光二 极管、化学传感器、半导体和显示器件等领域显示出 巨大的应用潜力[1引。 图2 采用800nln。2．0rd飞秒激光加工的MEH—PPV 聚合物沟槽原子力显微图片 3)在生物医学领域，飞秒激光具有的能量低、 损伤小、准确度高并能在三维空间上严格定位等优 点，使其能最大限度地满足生物医学领域的特殊 需要。 在材料去除方面，飞秒激光能应用于切割易碎 的聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。已有 生物医学专家将它作为超精密外科手术刀，用于视 力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留下手术后 遗症；人们也在研究如何将飞秒激光用于无痛牙科 治疗m]，利用飞秒激光能去掉牙齿的一小块，而不 影响周围的物质，并且不发生温度升高，避免了因温 度变化引起的神经痛感，从而实现无痛治疗。 在材料制备方面，飞秒激光应用于脉冲激光沉 积领域，可以进行新材料薄膜制备。2004年，A．S． Loir等人在认识到由飞秒激光烧蚀沉积四面体菱 形碳薄膜的特性后，研究了将其应用在髋关节上，并 发现此薄膜的特性能很好的满足生物医学的要 求[1引。最新的一些研究表明，飞秒激光沉积用于制 备生物材料或者生物兼容材料具有独特的优势。通 过脉宽为450fs，波长为496nm的飞秒激光烧蚀冻 结牙齿标靶来沉积硅基以及溴化钾薄膜，并检测了 制备样品的形貌、厚度，检测了薄膜层的化学成分， 结果都非常理想。图3为硅基牙齿薄膜的AFM 图片[171。 图3飞秒激光沉积制备的硅基牙齿薄膜AFM图片 4)在细胞工程领域，应用飞秒激光在活体细 胞内实现了纳米手术操作而不伤及细胞膜，飞秒激 光的这些操作技术对基因疗法、细胞动力学、细胞极 性、抗药性以及细胞内部不同成分和亚细胞异质结 构等方面的研究都具有积极意义。 4 结语 当今世界的许多最新科研成果、前沿技术和高 新技术等[1引，已被运用于飞秒激光加工这一全新的 加工技术，他以其独特优越性能正在打破以往传统 的激光加工方法，开创了材料超精细、无热损伤和3 D空间加工和处理的新领域，日益引起人们的兴趣 和研究热潮，无论在加工机理、还是在加工应用的深 化或者推广都需要更进一步地深入研究。今后研究 的热点和重点首先是提高飞秒激光光束本身的质 量，这方面将集中于提高飞秒激光器的波长变化范 围和脉冲波形控制功能，使飞秒激光器实现多功能、 高性能化，从而扩展加工应用的领域和范围。其次 ·50· 《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究 2008年第2期 万方数据 是继续探索飞秒加工的各种机理，研究不同的激光 参数对飞秒加工的影响；探讨工作环境对超精细加 工的影响；探索飞秒加工的物理本质和加工极限尺 寸[1引。我们有理由相信随着飞秒激光加工技术发 展的逐步深入和完善，飞秒激光将在未来的微细加 工领域发挥越来越重要的作用。 [参考文献] E13孟献丰，陆春华，倪亚茹，等．激光技术的应用与防护 [33．红外与激光工程，2005(02)． [2-I张兴权，周建忠，王广龙．飞秒激光在材料微加工中的应 用[J1．电加工与模具，2005(01)． E33SpenceDE，KeanPN，SibbettW．602femto-second pulsegenerationfromaself-modelockedTi：sapphirelaser [J]．OptLett，1991，16：42-45． [4]AugustS，StricklandD，MeyerhoferDD，eta1．Tunneling ionizationofnoblegasesinahigh—intensitylaserfieldi-J3． Phys．Rev．Lett，1989，63：2122-2215． [53JoshiCJ，CorkumPB．Theinteractionofultra-intense 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要研究方向为激光焊接。 收稿日期：2007年8月10日 一 责任编辑吕德龙 艾克斯特为西北轴承股份有限公司实施ERP项目 近期，西北轴承股份有限公司与微软的金牌合作伙伴艾克斯特科技有限公司签约，选用MicrosoftDynamicsAX来 实现对企业资源的管理，目前该项目一期工程营销已进入实施阶段，将率先应用于企业的营销、财务、库管等 部门。 西北轴承股份有限公司(以下简称西北轴承)是全国机械行业百强企业之一、全国轴承行业六家大型一档企业之一， 是西部地区最大的轴承厂家、全国轴承行业首家上市公司。公司坐落于有“塞上明珠”之称的宁夏回族自治区首府银川 市，公司总资产11亿元，占地面积90多公顷，建筑面积30多万平方米，设备2900多台，其中进口及大、精、尖设备170多 台，年销售额近5亿元。在业务与国际接轨的同时，西北轴承的领导也希望企业的管理能与国际接轨，借鉴国际上先进 的管理理念来解决大企业中存在的诸如资源浪费、人才利用不充分、部门间沟通不畅、协作不紧密等管理问题，改变管理 现状，提高工作效率。在项目的选型中，国内外10家优秀的ERP厂商均参与了竞标，最终，艾克斯特凭借多年来服务于 制造业的丰富经验，以及DynamicsAX产品先进、成熟的功能赢得了客户的青睐。 DynamicsAX既是一款完善的ERP产品，又是一个盐务开发平台，它具有极高的开放性，可在平台上进行任意的二 次开发。同时，它可以提供多国家、多语言、多货币、多地点、多公司的跨国集团公司的解决，并能跟踪最新的企业管 理理念和软件科技，使用户始终与世界上最先进的管理理念同步。艾克斯特扎根于制造业信息化事业十三年，是国内制 造业信息化行业中的领跑者，2006年与微软强强联手，成为微软的金牌认证合作伙伴。两年多来，艾克斯特已为众多企 业成功实施了微软ERP项目，取得了丰富的经验。相信此次与西北轴承的合作，也定能助企业走上国际化管理的快车 道，实现与企业的共同进步。 《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究 2008年第2期 ·51· 万方数据 飞秒激光加工及其应用 作者： 罗晓娜， 刘金合， 唐建宇 作者单位： 西北工业大学,材料学院,陕西,西安,710072 刊名： 新技术新工艺 英文刊名： NEW TECHNOLOGY & NEW PROCESS 年，卷(期)： 2008(2) 参考文献(19条) 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