飞秒激光加工最新进展

第二耘孝三期 激光与光电子学进展 乏乞麓9 l__--l●_-—_______--______-___#㈣㈣㈣㈣；％*。”“。《蜷勰㈣㈣№㈣_-______●__—____●_●____l____●● 飞秒激光加工最新进展 孙晓慧-，z周常河1余骨鲲2 f1中科院上海光机所信息光学实验室，上海201800＼ k上海大学物理系，上海200436 J 提要 综述了飞秒激光进行加工的多种机理和理论；主要介绍了飞秒激光对玻璃、石英、金属、聚合物等各种材料 加工的最新研究进展状况及各方面的应用；飞秒激光加工是门新兴的学科，具有重要的应用前景。 关健词 飞秒激光 微加工 烧蚀 非线性吸收 Thela．testdeVelopmentoff．emtosecondlaserprocessing SUNⅪaohllil，2ZHOUChan曲e1YUBingl(Im2 ／l舰删．g舰t乃硌玩地招Q厂∞跣∞蚴d冗伽讹c，撕mtcS，吼e现i他8seAc砌啪倒Q厂&t跏c∞，鼽嗍№t201800＼ ＼2D印onm院￡Q厂鳓stcs，·S№叼№t咖锄8倦t勘S№螂№t200436 ／ Ab8tr眦tVadollsmechanismsandtheoryoffbmtosecondlaserares㈣aurized；thelatestdevelopmentof f曲ncation、】l，imfemtosecondl嬲erincludmgvauriollsglasses，quartz，meta：Isandpob嘲e11saremtroduced；femtosecond laserprocessingiSanemergingfieldandhasiIr巾onan“IppHcationprospects． 1【eywordsfemtosecOnd1asermicrofa山ric撕onabla吐onnonlinearabsorption 1引言 自20世纪80年代飞秒激光器 在美国问世．飞秒激光技术得到了迅 猛发展。由于飞秒激光具有很高的峰 值功率、脉冲极短等特性，已被广泛 应用于物理、化学、生物学、光电子学 等领域并得到了飞速的发展。90年 代以后，随着飞秒钛宝石激光器的研 制成功。飞秒激光进入了加工领域。 与传统的加工用激光器如二氧化碳 (C02)激光器、掺钕钇铝石榴石 似G)激光器相比，由于飞秒激光加 工产生的热影响区域非常小。能够得 到更高的加工精度；与准分子激光器 相比．虽然准分子激光器输出光波长 更短，但由于它的辐射能被许多透明 材料吸收．只能进行表面加工，且当 波长A<200nm时，还存在聚焦光学 元件表面辐射损伤问。实验表明， 使用超短脉冲不仅能够进行表面微 加工．还能进行体内微加工(材料透 明情况下)，且加工精度不低于使用 准分子激光所达到的。飞秒激光加工 所具有的独特优势引起人们的广泛 关注，使该技术得到了广泛发展。早 期工作如1996年日本的DavisKM 等人首次利用再生放大的钛宝石飞 秒激光成功地在各种玻璃材料内写 入光波导【1J．哈佛大学MazurE领导 的小组利用飞秒激光在各种透明材 料内部进行高密度三维存储翻。此后 短短的几年里，人们对各种材料的飞 秒激光加工．以及飞秒激光在产生光 波导、耦合器、光栅、光子晶体及进行 光存储等方面的应用都进行了大量 的研究。对于飞秒激光与各种材料的 作用机理各不相同且目前尚不清楚， 1997年哈佛大学MazurE领导的 收稿日期：2004—04—23；收到修改稿日期：2004—06—03 小组利用微爆炸理论来解释飞秒激 光在熔融二氧化硅、石英、蓝宝石、 BK7光学玻璃等透明材料内部产生 亚微米结构的现象翻。本文综述了飞 秒激光进行材料加工的多种机理和 理论．阐述了飞秒激光加工的特点： 重点介绍了飞秒激光对玻璃、石英、 金属、聚合物等各种材料加工最近两 年的研究进展状况及各方面的应用。 飞秒激光超微细加工已成为当今世 界激光、光电子行业中一个极为引人 注目的前沿研究方向。 2飞秒激光材料加工的机理 由于飞秒激光具有很高的峰值 功率(可达101狮)和功率密度(达 101跚№m2)，与各种材料相互作用时 往往诱发如多光子效应、自聚焦现 象、雪崩电离等各种非线性现象．飞 田 万方数据 第4l卷，第9期 2004年9月 激光与光电子学进展 秒激光与各种材料作用的机理各不 相同而且目前尚不十分清楚，还处于 探索阶段，但根据现有的实验现象和 结果，对于各种材料人们提出了各种 不同的解释模型，主要有以下几种情 况： 1)阈值模型：飞秒激光加工主 要是利用飞秒激光对材料的烧蚀作 用。将飞秒激光聚焦在被加工材料表 面或者体内产生烧蚀。研究表明：从 连续波到脉宽几十个皮秒，烧蚀过程 是离子雪崩，始于内部电子。该脉冲 范围内，烧蚀阈值常常有很大的偏 离，能量在很大范围内均可引起烧 蚀，然而飞秒脉冲的烧蚀阈值偏离非 常小，只有能量密度达到一定值时才 会发生烧蚀现象，烧蚀从一种统计属 性转变为一种确定行为。因此，对于 飞秒激光脉冲，可以适当地控制其激 光能流密度，使脉冲中心很小区域的 能量超过烧蚀阈值，从而得到比焦点 还要小的特征结构。利用材料具有特 定烧蚀阈值的特性还可以克服衍射 极限。这一观点最初在1995年就被 PronkoPP等人提出III．他们利用飞 秒脉冲得到直径为300nm的孔，约 为焦点尺寸的10‰ 2)微爆炸模型：哈佛大学 MazurE领导的小组研究了飞秒激 光在熔融二氧化硅、石英、蓝宝石、 BK7光学玻璃等透明材料内部产生 的微爆炸现象臼，除了金刚石外，被测 试的样品材料内均导致了直径为亚 微米的立体像素。利用光学显微镜、 衍射特性、扫描电镜(sEM)及原子力 显微镜(An压)研究分析产生的亚微 米结构(直径为200～250nm)表明，飞 秒激光脉冲在透明介质中引发的强 烈自聚焦效应使激光焦斑小于衍射 极限。趾W观察及光学衍射测量表 明微爆炸形成一个微腔，腔周围是高 密度材料。微腔结构被认为是由于巨 大的压力使材料从爆炸中心向外而 形成。微爆炸过程中由于在恒定体积 墨 V01．41-No．9 sep．2004 内温度的升高产生巨大压力。飞秒激 光在各种透明材料内的微爆炸现象 提供了一种透明材料的内部微加工 方法：1996年GlezerEN等人利用 该方法在各种透明材料(包括熔融石 英、熔融二氧化硅、蓝宝石、BK7光 学玻璃、各种塑料材料等)中进行高 密度三维光存储，提供了一种新的具 有亚微米量级存储单位的光存储技 术目。飞秒激光的微爆炸现象还可以 用于制作如衍射光学元件、光子晶体 及光栅等；另外利用在微爆炸时产生 的条件可以开展高温高压研究的微 型实验。 3)对于各种玻璃材料主要有(1) 色心模型：1990年HandDP和P． RussellSJ根据K—KO【rameIs— I【rom囝因果关系提出了色心模型圈， 该模型的前提是假设光敏效应产生 于缺陷处局域电子的激发。紫外光照 射下，掺锗石英光纤材料中的缺氧锗 缺陷将发生电离，所释放出的光电子 陷落在附近位置上形成新的缺陷中 心。这种色心缺陷粒子数的变化将永 久f生地改变光纤的紫外吸收谱。色心 模型理论在一定范围里解释了折射 率变化的原因．但Russeu、Williams 等人分别通过吸收光谱测量以及进 行K_K变换发现得到的折射率变化 与实验结果会有两个数量级的差异。 (2)偶极模型：偶极模型建立在光子 激发电离玻璃内的缺陷结构锗氧空 位．形成内建周期性空间电荷场的基 础上【q。光电离锗缺氧心Ge—si、Ge— Ge会产生带正电的GeE7空穴心和 自由电子，电子扩散开在邻近的Ge (1)、Ge(2)处被捕获，形成带负电的 Ge(1)一、Ge(2)一电子捕获。GeE’空穴捕 获和Ge(1)～、Ge(2)一电子捕获形成电 偶极子，空间距离在几个埃量级。每 一个形成的偶极子都会产生静电直 流极化场+延伸到多个分子距离。通 过直流克尔效应．这些静电场诱导出 的局域折射率改变正比于酽。㈣压 缩模型：是指激光辐照引起密度变 化，从而使折射率发生改变。(4)应力 释放模型：认为折射率的改变是由纤 芯中内建热弹应力的减小引起的。在 拉光纤时，由于光纤纤芯和包层热膨 胀系数差异使掺锗的石英纤芯处于 紧张状态。通过应力一光学效应(光弹 效应)，张力使折射率减小。(5)新的网 络结构的形成：铅一锡一氟磷酸盐玻 璃在紫外光照射下．形成的条纹状结 构是由折射率改变引起的，但不存在 玻璃结构的致密化，未曝区折射率减 小c7l。 另外对于各种玻璃材料，根据 飞秒激光强度可分三种不同性质的 破坏类型暇：低的激光强度产生正的 折射率变化(类型1)，可用于获得光 波导、耦合器：中等的强度产生双折 射率变化(类型2)；高的强度破坏形 成空腔(类型3)，可用于产生光子晶 体及进行光存储。最近，英国Erica Bricchi等人研究了中等强度下的情 况即类型2的情况，建立了一种双折 射形成模型翻。他们采用干涉测量相 位步进技术测量飞秒激光辐照后样 品各区域的相位变化，从而得到各区 域的折射率变化J隋况。实验结果证实 了负折射率变化及折射率变化符合 对偏振态的依赖性。 4)金属材料：1996年．德国汉诺 威激光中心ChichkovBN等人用 0．2～5000ps的钛宝石激光脉冲对金 属材料进行烧蚀研究，在不同的激光 脉宽下对双温方程进行约化，并求得 解析解，显示出飞秒激光相对纳秒及 皮秒激光在材料加工中的优势【lq。 1997年，该中心NolteS等人继续 研究了钛宝石激光脉宽150fs至 30ps的激光脉冲对金属材料的烧蚀 特性，仍从求解双温方程人手．发现 当激光脉宽吼远远小于晶格的受热 时间r。时，烧蚀时间不依赖于激光脉 宽。试验得到金属铜材料的烧蚀速率 与双温模型相一致。飞秒激光脉冲 万方数据 4 第慧絮：期 激光与光电子学进展2004年9月 一7。’’。一。。～“。 情况下金属热扩散所起的作用明 显降低，为精密微加工提供了条 件，而且无熔融材料产生，因而非 常稳定且可重复生产【ll】。1999年， Falkovsl(yLA和MishchenkoE G基于玻尔兹曼方程和费米狄拉 克配分函数提出热电子爆炸模型 来描述金属材料中的超快形变【121。 2002年。ChenJK等人综合双温 模型及电子爆炸模式假定单轴应 变三维高压条件下，提出一系列相 互关联的瞬时热弹性变形方程【13l。 数值结果表明，超短激光脉冲烧蚀 过程中．非熔融态损伤占支配地 位，这种非熔融态损伤的主要动力 来源于热电子爆炸力。 5)库仑爆炸模型：库仑爆炸模 型最初的提出是针对表面损 伤【14，151。1997年，ChengHP和 GiuaSpyJD利用大规模分子动力 学模拟研究硅表面的库仑爆炸【16】。 2000年德国HenykM等人分析了 飞秒激光烧蚀蓝宝石(晶态Al。00响， 实验过程中使用飞行时间质谱仪 研究离子发射．发现最凸出的峰为 灿+和0+。分析了放射出的阳离子 强度对激光能流和激光脉冲数目 的依赖关系及离子动能分布，表明 基本的烧蚀过程是由于表面爆炸 即库仑爆炸所引起的。另外，该小 组还对飞秒激光爆炸烧蚀NaCl及 B巩等宽带隙晶体材料进行了研 究．同样证实了库仑爆炸的合理性 【18】。2003年Egi删usVanagaS等人 利用具有纳焦能量的飞秒激光脉 冲在硼酸硅玻璃形成丘状纳米结 构，烧蚀机理与库仑爆炸相一致㈣。 丘状烧蚀物没有明显的熔融和环 形凹痕证实了在熔融或汽化之前 材料开始离开表面。受损部位的横 向尺寸小于聚焦于样品表面的焦 斑大小4至5倍，这与多光子效应 所致的破坏机理相一致。 6)在特殊气体中的材料加工。 V01．41．No．9 sep．20014 最近careyJE等人发现在六氟化 硫(SF6)的氛围中飞秒激光脉冲照 射硅片表面后。原本光滑的表面变 成绒状，经扫描电镜观察到准有序 的锥形微结构阵列，而且此时的硅 片光电特性也发生改变|舯】。在SF6 的氛围中，经飞秒激光脉冲照射后 的硅片对红外光具有很高的吸收 率，这种现象可以解释为锥形微结 构对入射光的多次反射造成的。不 仅如此，硅片经飞秒激光脉冲照射 后的场致发射特性也发生变化。在 其他气体中飞秒激光照射硅片．如 在H。中得到的硅表面形貌与在 SF。中的相似，但是不具有对红外 光的高吸收特性和高的场致发射 性能；在H。S氛围内飞秒激光照射 硅片后也发现高的红外吸收特性。 分析比较发现由于硫元素掺杂使 硅微结构具有高的红外光吸收特 性及高的场致发射性能。该小组早 在1998年就已经发现．硅材料表 面形貌的变化在cl。中也观察到同 样的现象【2lJ。 总的来说。各种材料的烧蚀基 本都与阈值模型相符合：金属和半 导体材料的飞秒加工利用库仑爆 炸模型得到了合理的解释。当然至 今还没有一种模型能够完全解释 飞秒激光与各种材料相互作用的 机制和具体的作用过程，所以这一 领域仍需要进行大量的理论工作 和实验工作。 3飞秒激光材料加工近几年的 进展状况 从1995年飞秒激光开始用于 材料加工以来【4l，由于其独特的加 工优势很快得到人们广泛的关注。 2003年Ri厕NH总结了飞秒激 光对金属、玻璃、金刚石、各种聚合 物、陶瓷等材料的微加工进展情 况，从各方面证实了飞秒激光是一 种优秀的微加工光源㈤。本文重点 描述了飞秒激光非线性现象所引 发的一系列新的应用如在玻璃内 部写人光波导、耦合器、光栅、光子 晶体、微光学元件等，以及利用多 光子聚合产生亚微米结构超衍射 极限加工方面的进展状况。 3．1各种玻璃材料 3：!：1光波星 1996年，日本的DansKM 等人首次利用再生放大的钛宝石 飞秒激光成功地在各种玻璃(如高 硅玻璃、硼酸盐玻璃、钠钙玻璃及 氟化玻璃)内得到光波导，到纯 硅、掺锗硅玻璃被照区域折射率增 加量(△视)为0．0l至0．035㈧冽。1999 年日本物理化学研究所fRIKE№的 Sung—HakCho等人在光纤纤芯中 得到长度为9～10mm单模光波导 结构并检测到最大的折射率变化 量为0．02l㈣。飞秒激光放大器通常 具有较低的重复率，大大限制了飞 秒微加工的速度．此外飞秒放大器 价格相对昂贵和复杂。2001年，哈 佛大学SchafferCB等人直接聚 焦未经放大的由飞秒激光振荡器 输出的具有纳焦能量的飞秒激光 脉冲，在康宁0211玻璃内写入波 导【篮】，大大提高了加工速度并降低 系统成本。图1给出了所写光波导 的图片嘲。美国KaomM．moshi]ma 等人也利用飞秒激光振荡器输出 的红外飞秒激光在康宁0215玻璃 中得到单模X耦合器和三维光波 导【踮】，并采用0CT的方法来表征得 到的光波导及耦合器的性能，测得 被改性区域的折射率变化㈤。2002 年德国耶拿大学wiuM等人利用 飞秒激光脉冲在熔融二氧化硅内 获得2．5cm长的光波导，得到的损 耗低于ldB／cm(对波长514nm的 光而言)，并通过控制写入速度控制 波导的模数目【鹚1。2003年，加利福 尼亚的ChanJW等人利用飞秒激 团 万方数据 第慧等：期 激光与光电子学进展 ”喾乞兰9 I●—●●●●—-ll-—lI_l—__●●___________-_∞№㈣㈣％㈨口nh。m㈣㈣∞％Ⅻ㈣∞__-_-●___—●●__-_l_●___-_l_●●_l___ 光在磷酸铝玻璃(Schott10G～1)中次证实了耦合系数的振荡性变化 的变化，氦氖激光经过后也没有衍 写人椭圆形波导，发现与纯熔融二 和飞秒非线性材料加：【耦合模式 射效应出现，显然此时玻璃的折射 氧化硅玻璃现象明显不同，波导在 装置。 率变化可以忽略。但是当样品经过 飞秒激光光束焦点的周围形成，而 圣：!：三丝塑 后烘，在显微镜下可以明显观察到 缺陷如色心则在中心焦点区域，而 2000年，日本科技株式会社的颜色变化，而且随着后烘时间的增 且该区域的折射率降低冽。最近，意Kaw锄uraK等人首次通过两束 长，光栅的颜色越深。另外，增加 大利的Roberto0sename等人利红外飞秒激光发生干涉，在各种透 F0turan玻璃内部掺杂银离子的浓 用整形的飞秒脉冲在掺铒和铈(Er： 明的电介质材料(如蓝宝石单晶、二 度也可以获得更高的折射率变化 Yb)的玻璃基片得到9mm长单模氧化硅玻璃等)上得到表面浮雕全 量。这一现象提供了一种通过后烘 光波导．沿着飞秒激光光束传播方 息光栅删。该方法是产生两束飞秒 控制Foturan光敏玻璃折射率的 向降低束腰的大小，同时降低两束 激光然后经过普通的聚焦透镜，样 变化率的方法。使用低脉冲能量进 腰的位置。该方法克服了波导固有 品置于激光焦平面。法国巴黎理工 行加工，可以提高空间分辨率、降 的不对称性，使所得波导能够有效 学校su(1rieL等人利用再生放大 低加工粗糙度而且不必使用啁啾 地耦合到光纤中嗍。 的钛宝石飞秒激光在熔融二氧化 脉冲。图2是经过18小时的后烘 图1利用飞秒激光在玻璃内部得到光波 导的图片I衢J 3．1．2耦合器 1999年，美国HomoelleD等 人利用钛宝石飞秒放大器输出的 飞秒激光脉冲．分别使纯熔融二氧 化硅和掺硼石英玻璃折射率增大 3×10。3和5×10。3，在纯熔融二氧化 硅内部获得Y型耦合器【3l】。美国康 宁公司streltsovAM等人于2001 年首次利用飞秒钛宝石振荡器输 出的纳焦飞秒脉冲在SchottKz心 硅酸硼玻璃内加工得到定向耦合 器嘲。2002年．Ka011lMinoshima 利用扩展式腔飞秒激光器制作了 具有不同相互作用长度和耦合系 数的方向耦合器【罄】。通过控制入射 脉冲能量．焦点大小及扫描速度， 可以制造不同尺寸、不同模式结构 的光波导。为了验证耦合模式理 论，加工了j系列的具有不同波导 间距疽和作用距离L的耦合器，首 墨 硅内写人永久性双折射结构．得到 线宽6～7岬周期为20um的光 栅阁。2003年，新加坡南洋科技大学 Venkat砌shnanK等人采用啁啾 得到的光栅结构闻。光栅的衍射性 能通过氦氖激光的衍射花样给出。 光纤Bragg光栅具有有效的 选频特性，与光纤通信系统易于连 图2飞秒激光辐照光敏玻璃后经18小时的后烘得到的光栅结构及He—Ne激光经过 该光栅的衍射花样I踟 脉冲放大的飞秒激光，通过两束平 行的飞秒激光干涉在铜样品表面 得到周期为3．2岬的光栅㈣。最近 日本RIⅪⅢ的YaCheng等人在 F0turan光敏玻璃内得到光栅结 构，并调查了玻璃在温度500℃～ 550℃之间的后烘时间与折射率变 化的关系m。该研究发现经飞秒激 光照射样品后，显微镜观察无可见 接且耦合损耗小，因此它在频域中 呈现出丰富的传输特性，并成为光 纤器件的研究热点【嚣】。使用相位掩 模技术与飞秒激光脉冲相结合可 以写入光纤Bragg光栅，但该方法 潜在的问题是飞秒脉冲光谱展宽， 脉冲能量扩散到很大面积。最近加 拿大通讯研究中心的一个小组采 用800nm钛宝石飞秒激光脉冲与 万方数据 第41卷．第9期 2004年9月 激光与光电子学进展 无零次相位板结合，在掺锗通信光 纤纤芯中写入高质量的反射Bragg 光栅陋】。实验中使用的相位掩模板 是精确刻蚀的在800nm波长低量 零次通过。采用飞秒激光获得光纤 Bragg光栅具有极高的折射率调制 范围，而且与通过紫外光获得的光 栅相比，具有很高的温度稳定性。 折射率变化机制可能是多光子吸 收过程与锗掺杂有关。图3是飞秒 激光在光纤纤芯中获得的折射率 调制光栅㈣。 V01．4l，NO．9 S印．2004 等人首次成功地利用800nm飞秒 激光在Ba0一m。03一B203玻璃内部 生长出具有单晶结构的BB0(偏硼 酸钡)倍频晶体，并观察到入射红外 激光的蓝色倍频光㈣。样品玻璃的 组成是47．5Ba0：5舢203：47．58203， 飞秒激光经显微物镜聚焦到样品 内部．发现激光辐照部分有球形区 域形成，并随时间扩大然后变为恒 值。当停止激光辐照时，圆形面积 有轻微的缩小然后保持固定。分析 认为，球形区域的形成是由于聚焦 图3飞秒激光在光纤纤芯中光诱导折射率变化图片，两线间距为3．21斗m【删 3．1．4光存储 1999年，日本QiuJ等人首次 观察到红外飞秒脉冲照射后的氟 锆酸盐玻璃内的永久性光致还原 现象(Eu3+还原为Euz+)．该现象提 供了一种具有高存储密度的i维 光存储方法【蛐】。2000年，日本大阪 大学watamWatanabe等人首次 研究了飞秒激光脉冲照射二氧化 硅玻璃时对空穴的捕获及两空穴 的合并现象，提供了一种新的可再 写i维光存储技术|41】。2002年，该 日本大阪大学WataruWatanabe 等人报道了经再生放大的钛宝石 飞秒激光照射后晶态氟化钙和非 晶态二氧化硅玻璃中空穴的移动 现象，空穴移动的最大距离为2岬 左右，这一现象提供了一种三维可 重组光存储方法阎。 3．1．5各种非线性晶体 2000年，日本I(iyotakaMiura 激光束的压力波和局部受热造成 的。当照射10分钟后，在焦点附近 有晶体产生。移动激光束焦点位置 后．发现在飞秒激光焦点处上述玻 璃样品内分别形成了偏硼酸钡(p— BaB。04)晶体、铌酸锂(ⅡNb03)晶体 及钛酸钡(B啦i04)晶体。随着辐照 时间的增长，观察到更加明显的晶 体特征峰。 3．1．6微光学元件 2003年，日本物理化学研究所 (RIKEN)的YaCheng等人利用飞 秒激光在光敏玻璃内(Foturan)制 作了三维微光学元件㈣。实验中他 们不仅在玻璃内部制作了45。内部 微型反射镜，还制作了由三个内部 微型反射镜组成的光学回路，可以 使光束在4mm×5mm面积内转 2700。实验过程中发现，如果对样 品作退火处理，刻蚀表面的粗糙程 度会得到很大改善。从而也改善了 光学元件的光学性能。图4是飞秒 激光在F0turan玻璃内写入的微 光学回路，可以使光束传播方向改 变270。【蚓。 3．2各种聚合物材料 聚合物(又称光学塑料)由于具 有很强的可适应性和热稳定性。在 ：【业上有十分重要的应用．因此聚 图4飞秒激光在Foturan玻璃内写入的微光学回路图片及光束的输出嘲 可在玻璃样品内连续地产生频率 变换晶体。最近，我国的余口鲲等 人研究了飞秒激光脉冲辐照下的 硼酸盐玻璃、铌酸盐玻璃及钛酸盐 玻璃内各种晶体的形成状况㈣。研 究人员采用研究样品拉曼光谱的 手段，经过一定时间的激光辐照 合物的精密加工也具有十分重要 的意义。2001年8月，Nature杂志 报道了日本科学家使用飞秒激光 诱发的双光子聚合技术雕刻出了 一个10¨m长、7¨m高的立体公牛 像【躺】。这头公牛是他们对该项技术 进行改良、把精确度提高到120nm 田 万方数据 第虢誓暑期 激光与光电子学进展 翟弋麓9 -—●●____-———●__——-———●-_____—__———————●●●_—_——__麟嘲麟麟黜Ⅻ鼢粥粥端蒯㈣嗍黼蛹-_—————●—●—————————————__————_-_●●—●●_————__-—●“⋯一+ ⋯。⋯ 幅霞大，＼＼，为了尽可能桷慢PBG 图5利用双光子聚合技术获得的长10¨m高、7um的各种姿态的立体公牛图像【删 的结果。与此同时，他们使用同样 的方法已经造出了一个“纳米弹 簧”，它能在激光作用下像普通的 金属弹簧一样振动。双光子聚合技 术提供了一种可控制晶格常数和 晶格对称性，实现近红外和可见光 波段光子晶体的简洁法。图5利用 双光子技术雕刻的立体公牛像㈤。 3．3光子晶体 光子晶体是折射率在空间具 有周期性调制的介电结构，其变化 周期和光的波长为同一个数量级。 光子晶体提供了一种全新的控制 光子传播的机制。2001年日本口岛 大学sunHB等人利用飞秒激光 多光子吸收效应能够在掺锗二氧 化硅玻璃内构造任意晶格的光子 晶体，该技术能够单独地为单个原 子选址旧。同年．该大学Toshiald Kondo等人采用多光束飞秒激光 干涉的方法来制作光子晶体．得到 了一维，二维和三维的周期性结 构。该激光干涉技术的优点在于装 置简单、加工时间短并日可以获得 大体积的周期性结构【鹪J。2002年，日 本JuodkazisS等人在石英和 墨 效应最大，需要构造更加复杂的晶 格以适合光子态密度。最近，日本 KoshimKaJleko等人利用双光子 聚合技术构造具有明显PBG效应 的共价键型金刚石晶体结构。分析 了所得光子晶体的投射光谱，单周 期透射率衰减为35％表明选择合 适的晶格类型对于获得强的PBG 效应是非常有必要的【611。2003年， 德国SerbinJ等人研究了飞秒激 光诱导无机一有机混和材料f0R— MOCERs)的双光子聚合现象，并利 用该技术得到结构尺寸小于 200nm．周期为450nm的三维微结 构和光子晶体嘞。图6是利用双光子 图6利用双光子聚合技术获得的光子晶体结构的原子力显微镜图片吲 30Nb0眈·70Te02玻璃以及树脂内 得到光子晶体结构。测得的光子带 隙光谱表明光子禁带(PBG)的不完 全性I艚1。2003年，日本Toshiald Kondo等人报道了利用多束飞秒 激光干涉制作二维光子晶体，实验 表明通过改变曝光条件控制周期 性结构的特征尺寸俐。实验过程中 采用不同的干涉角，发现所得结构 的周期随着干涉角的增加而减小。 仅采用四束光中的的三束进行实 验时，原本周期性结构柱状的横截 面变为椭圆形，而周期相同。说明 不改变晶格的情况下可以控制周 期性结构的形状。PBG严格依赖于 PhC的晶格类型及折射率调制的 聚合技术获得的光子晶体结构嘲。 3．4飞秒激光对金属材料的加工 3．4．1制作金属掩模板 新加坡南洋科技大学venka— t出丽shnanK等人利用飞秒激光对 各种金属薄膜进行烧蚀实验。利用 金属金薄膜作为吸收层．用飞秒激 光直写的方法制作了以石英为基 底的金属掩模板，并将前入射与后 入射两种作了比较．发现采用 前入射的方法能够得到更小的特 征尺寸和好的边缘质量【鸫1。 3．4．2金属掩模板的修正 石英基底的金属镉掩模板的 制作是非常昂贵且很难作到无缺 陷的。典型的缺陷如在应该被去除 万方数据 第三恕等：期 激光与光电子学进展 。：匕麓9 ———__——_————-_—————●●—_————————————_———_————嘲嘲黼嬲#∞##啦瓤“哪糌端删耥鳓嘲嘲_——————●—_———__———_——●————●———-_—-●________ 的地方残留有多余的吸收材料，缺 扫描光学显微镜(ANSOM)通过使中得到的硅表面形貌与在sF6中 陷的去除必须保证石英基底和邻 用金属端口代替光纤孑L径克服了 的相似，但是不具有对红外光的高 近的区域不被破坏。利用飞秒激光 这一缺点获得纳米量级的分辨率。 吸收特性和高的场致发射性能；在 可以有效地修补金属镉掩模板的 2002年，美国Ⅺaobom等人将 H。S氛围内飞秒激光照射硅片后也 缺陷，由于吸收材料的烧蚀阈值低 ANsOM技术与双光子吸收技术相发现高的红外吸收特性。分析比较 于模板基底玻璃，保证了掩模板被 结合用于平版制版闻。实验采用 发现，硫元素掺杂使硅微结构具有 修正的同时基底不受损坏嘲，且空 120fs的激光脉冲和广泛使用的高的红外光吸收特性及高的场致 间分辨率非常高，甚至可以实现超su一8负性光刻胶，获得70m的发射性能。 衍射极限加工。目前构建的飞秒激 空间分辨率。 光修正光掩模板工具已在IBM的 3．6特殊气体中的飞秒激光材料加 4总结 柏林顿、佛蒙特州的掩模制作设备 工 飞秒激光加工日益显示出其 中运行。 飞秒激光在微加工中的新现 独特性和优越性。本文介绍了飞秒 3·5利用扫描近场光学显微镜 象引导各国学者不断发现各种飞 激光微加工的各种机理及对各种 (SNoM) 秒激光加工的新应用。最近Carey材料的加工进展和具体应用状况。 传统的远场技术由于衍射极 JE等人在各种特殊气体氛围下研 飞秒激光加工不仅能够获得常规 限的限制，横向分辨率受到极大的 究了飞秒激光对硅片材料照射后 长脉冲无法比拟的高精度和低损 限制，从而也限制了纳米范围下的 的一些变化刚。研究发现，在SF6(六 伤，而且有越来越多的新奇独特应 物理化学特性以及远场情况下纳 氟化硫)的氛围下飞秒激光脉冲照 用被发现。除了本文提到的利用对 米范围的输运机制的研究。sNOM射硅片表面后，硅片原本光滑的表 材料的局部改性产生光波导、耦合 已被证明在研究纳米尺寸的各种 面变成绒状，经扫描电镜观察到准 器、光栅、光子晶体和进行光存储 材料物理化学性能时是非常有效 有序的锥形微结构阵列，这一现象 等方面的应用以及双光子聚合、超 的。瑞士NechayBA等利用飞秒 该小组于1998年在SFe及clz中衍射极限加工外，飞秒激光对材料 激光抽运一探测技术与sNOM相利用飞秒激光辐照硅材料后就曾 烧蚀期间产生的高能等离子体还 结合，提供了一种具有150m空问观察到阱1。辐照后的硅片光电特性 可以淀积获得优质薄膜等更多新 分辨率、250fs的时间分辨率的系也发生改变，对可见光的吸收由原 的应用。采用经时间整形的飞秒激 统，该系统能够显示远场无法获得 来的65％上升到95％㈣。这种现象光脉冲进行材料加工还可以大幅 的物理信息，开拓了一种测量纳米 可以解释为由锥形微结构对入射 度地改善加工质量【鹋1。目前国内外 尺寸结构的载流子动力学过程的 光的多次反射造成的。同时，在sF6 在飞秒激光加工这一领域均获得 方法闭。1999年，德国汉诺威激光的氛围经飞秒激光脉冲照射后的 了很大进展，我国在这方面也开展 中心NolteS等人首次报道了飞秒 硅片对红外光也具有很高的吸收 了大量的研究并取得了一定的成 激光脉冲结合SNOM对材料进行率，这为红外光的探测提供了一种 果。显然飞秒激光在材料加工方面 表面改性，利用钛宝石飞秒激光三 新的材料。不仅如此，在SF6的氛 具有独特的优势。有更多新应用在 倍频光(260m)在金属镉层得到线围下，硅片经飞秒激光脉冲照射后 不断出现．相信随着研究的进一步 宽200m的凹槽嘲，得到特征尺寸的场致发射特性也发生变化，提供 深入．各方面技术的进一步成熟． 小于光波长的结构。由于光纤中波 了一种简单的一步制作大功率、高 飞秒激光在材料加jf方面将发挥 导模式的截止，只有很少的一部分 效率硅基场致发射阵列。在其他气 更大的作用。 光可以通过探针端口。无孑L径近场 体中飞秒激光照射硅片．发现在H2 参考文献 1DavisKM，MiuraK，SugimotoN巩以一W—tingwaveguidesin甜asswithafemtosecond1aser．Op丘Le纸，1996，2l，1729～1731 2GlezerEN，Milosa铷evicM，HuangLe￡叫．．nlree—diInensionalopticalstomgeinside协ansparentm曲enaJs．Op￡．眈纪，1996，21， 2023～2025 3GlezerEN，MazurE，IJltraf酗t—laserdriverInicro—e印losions协切^ansparentmateriaJs．A俐．P，地，s．LB‰1997，7l，882～8844 Pronl(oPP，DuttaSK，SquierJe￡越一MachiI_Iingofsub—InicronholesusiI培afemtosecondlaserat800nm．印丘叻彻聊，祝仡， 圜 万方数据 第二纂雾期 激光与光电子学进展 翟乞麓9 —●——I_lI●_—I__l-●_-●●-l_l_-__-_●_________№∞㈣《《镕．m≈∞Ⅻ∞∞㈣日-_-______--_-●●●_●_lll●—●●●—--—l__●__一 1995，114：106～110 5HandDP．RusselIPStJ，Photoinducedrefhctive—indexchm喀esinge姗anosmcateglass．(功￡．Le纸，1990，15：102～104 6BemardinJP，LawandyNM，Dynamicsofthefonna廿on0fBragggra胁gsingemanosihcateoptical舢ers．∞￡．Co竹m僦．， 1990，79：194～199 7StojanRadic，EssiambreRJ，RobertBoyd．Photof曲dcationinlead一廿n一丑uorophosphate科asses．却六￡e‰1998，23：l730～l732 8SudrieL，FmncoM，PradeB以越一Astudyofdamageinfusedsilicainducedbylll蝴ortm1aserp1】lses．C】!p￡．(泊mm札竹．， 200l，19l：333～339 9EricaBricc坻Ⅺ印paufBG，Kazans对PG． F0肿biremngenceandneg撕veindexchangecreatedbyfemtosecondd施ct writingintranspa肥ntmatedals．(功￡．Le耽，2004，29：119～12l 10CMchkovBN，MoHunaC，NolteSe￡戚．．Femtosecond，picrosecondandnanosecond凇erabla廿onofsolids．A仰￡．尸蚴s．A， 1996，63：109～115 1lNolteS，MommaC，JacobsHe￡以一Ablationofmetalsbyultrashortlaserpulses．，0多友Jsbc．Am．B，1997，14：2716～2722 12Falkovs姆LA，MishchenkoFG．Electro—la嘶celdIletiesofmetalsheatI嘲byul把ashortlaserpulses．z点疆≯．黜∽砌班．， 1999，88：84蝎8 13ChenJK，GmnesJE现以．．Modelingoffemtosecondlase卜inducednon—equibriuIndefomlationinmetalfums．J优Bm口玩。似“ 如"m疵0，勘￡记蚴d&眦c执res，2002，39：3199～3216 14SchneiderDH，BriereMA，McDonaJdJ优越．．曰删Z口丘研魄，：舶既ds，1993，127：113 15Bitens王diIS，M1胂妇metovMN，PanlisES．sb砂．鼢舻．死觑鼢够．，1979，24：618 16ChengHP，GmaspyJD．NanoscalemodmcationofsmconsurfacesⅥaCoulombe即losion．鼢妒．砌．B，1997，55：2628～2636 17HenykM，MitznerR，Wo埘内mmD以戚一Lauser—inducedionemissionf如mdielectdcs．4朔见＆￡玎＆{．，2000，154一155：249。 265 18HenykM，w0心籼D，ReifJ．IJl舰sh毗laserplllseinducedchargedpaIticleeInission舶m丽deban吨apcrystals．铆Z． S乱玎＆t．，2000，168：263—266 19EgidiiusVanagas，IgorKud珂ashoV，D【nitriinlzhilinef口五． Surfaucenanostmc蛐gofborosilicateglassbyfemtosecondnJ ener留pulses．4矽pZ．郸．Le‰2003，82：2901～2903 20CareyJE，CrouchCH，EricMazur．Femtosecond—lase卜as豳托dmicrostnlcnlringofSiuconsurf犯esfornewoptoelec协Dnics 印plic撕ons．∞￡．＆鼢丘MMs，2003，2：32～36 2lTsing—HuaHer，RichardJ．nnla乳ClaudiaWu酣以．．Microstructm曲gofsilicon砌femtosecondlaserpulses．4芦pZ．哪． LB￡t．，1998，73：1673～1675 22NadeemH．Ri厕．F'emtosecondlasermicromachining：Currents切nlsandappUca廿ons．RI妞NReview，2003，50，107～112 23MillraK，Ji籼ngQiu，1110uyeHe￡戚一Phot删ttenopticalwaveguidesinv暑Inolls斟ausses谢thlll协ashortpulseIaser．A芦pZ． 脚．三口耽，1997，71：3329～3331 24Sung—HakCho，Hiroshi酞l“Iagaj，KatsumiMidom(awae￡以．．Falbdca廿onofdoublecladdingstmctureinopticaJmul廿mode fibersusingplasmachannelingexcitedbyahigh—intensi印femtosecondlaser．(功￡．Cbmm讹他．，1999，168：287～295 25Sch施rCB，And矩Brode眦，Jos6F．Garcia酣越一Micmmachir曲gbull(斟嬲sbyllseoff色mtosecondlaserpulses研mnaIlo— jouleener斟．Op￡．Le玩，2001，26：93～95 26l渤nlMinoshima，Kowale、，iczAM，IngmarH删e￡越一Photonicdevicefa由rica廿oninglassbyuseofnonlinearmatenals pmcessing谢thafbnltosecond1aseroscmator．0少￡．Le抗，2001，26：1516～1518 27Ka011lMj咀oshhna，KowaleviczAM，IngrI眦Hame￡以一Photonicdevicefal3rication研mferntosecondlaserosciuators．Op￡．＆ 只的￡Ⅳ现船，2003：44—49 28Ma优hiasWm，Ste缸、No№，ChichkovBNe￡m．．0pticalpropemesofwavegu越esfabrica：tediI、fusedsiucabyfeH怕second l够er州ses．2002，A卿1．O跳，2002，41：4360～4364 29ChanJW，HuserTR，RisbudSH现以一WaⅣeguidef曲ricationinphoSphate甜assesllsingfemtosecondlaserpulses．4卯t 脚．L口‰2003，82：2371～2373 30R0benoOseu锄e，StefanoTaccheo，MarcoMarangoni酣越．．Femtosecond谢tingofactive0pticalwavegllides砸maus廿g— ma廿callyshapedbeaIns．JI(功￡．5Toc．Am．B，2003，20：1559一1567 3lHomoeⅡeD，wielandyS，GaetaAL优越．．In：晌redphotosensi蝴够协silica甜asses唧osedtofemtosecondl嬲erpulses．D融 Le旅，19919，24：13儿～1313 _ 万方数据 第二黧害暑期 激光与光电子学遵展 ∑：：麓9 —_—●I___●——-l__●_●_I____—_-_●___-____∞㈣％㈣∞H∥一。Ⅻ㈣㈣Ⅻ∞_______-ll__●_—___●-__l___●●●●_—--_l 32StreltsovAM’BoH．emNF．Fabrica廿onandanalysisofad妇ctionalcoupler、柑tteninglassbynanojoulefemtosecondLaser pulses．Op￡．LP妣200l，26：42～43 33KaoruMinoshiIna，KowaleviczAM，IppenEP酎以．．FabricationofcoupledmodephotonicdevicesinglaSsbynonlinearfem— tosecondlasermaterialspmcessmg．0多￡．助研协s．，2002，lO：645～652 34Kaw锄llraK， ogawaT， SamkuraNe￡眦．． Fabric撕onofs墟坨ereuef妒临嚼0ntranSparentdielectricmatenalsby脚。一 beaInholog呻hicmethodus啦砌黜dfemtosec叫dl勰erplllses．4卯己砌咖．B，2000，7l：119～12l 35SudrieL，n彻coM，PradeB讲越一Wri锄gofpemanentbmjfm唱entmicrolayersinbulkfusedsilica谢thfemtosecondlaser pulses．∞￡．cb竹溉"他．，1999，171：279～284 36venkataⅫshnanK，SjvablmarNR，HeeCWe￡眦．．Directf曲rica廿onofsu池ce—reHefgratingby砒erfemme雠ctechnique usingfemtosecondlaser．4卯￡．肋垆．A，2003，77：959～963 37YaChen舀KojiSugioka，MasashiMasudae￡谢一0ptical蜘gsembeddedinphotosensitiveglassbyphotochemicalreac廿on usingafeIntosecondlaser．2003，O矽￡．j己四，，曾ss．，2003，ll：1809～1816 38WilliaInsJAR，zhangLe￡越．．Uv一训讹nin一曲erBH蜒gratings．∞玩c越帆d舭蚴凯m皿ec加他tcs，1996，28：93—135 39MihailovSJ，SmelserCW，PingLu以越．．nberBragg罂atingsmade谢maphasemaskand800一mfemtosecondradiation． 0印友L口甜．，2003，28：995～997 40Ji跏ongQiu，Kqjm协K，MiuraK现以一111髓aredfemtosecondlaserpulse—i11ducedpemanentreduc廿onofEu3+toEu2+ina nuomziI℃onateglass．Op￡．Le‰1999，24：786～788 41WatamWatanabe，TadamasaToma，l沁幽Yamada甜以一0pticalseizingandmergillgofvoidsinsiHcaglaSsⅥdthi11frared fbmtosecondlaserpulses．Op￡．L8‰2000，25：1669～167l 42WatalllWatanabe，l(azuyoshinoh．Motionofbubbleinsohdbyfemtosecondlaserpulses．2002，0p￡．觑印他ss．，2002，lO：603～608 43K秘。僦(a蛳u麟Ji㈣gQiu，Tsllneo蚴tsl删耐以．space—selectivegroⅥ吨hoffrequency—conversionc巧，s拓dsin斟aSseswith ultrashortin丘aredl弱erpulse8．0p￡．Le‰2000，25：408～410 44Bingl(unYu，BinChen，ⅪaoyanYange￡以一studyofc珂stalfonna廿oninborate，mobate，andtitanateglassesin州iatedby fbmtosecondlaserpulses．J．∞￡．舶c．Am．日，2004，2l：83～87 45YaCheng，K蛳su舀01(a，l(atsuIniMidonkawa以以．．Three—di“IensionalInicro—opticalconlponentsembeddedinphotosenSi一 蜥eglassbyafemtosecondlaser．∞￡．助‰2003，28：1144～1146 46SatoshiKawat巩Hong—BoSlln，TomokazuTanakae￡越．．F'inerfeatllresforfunctionalmicrodevices．2001，412：697～698 47Hong—BoSun，YmgXu，SauliusJuom(azisB￡疵一Arbi哪一lamcephotoniccrystalscreatedbymultiphotonnlicrof曲dcation． Op￡．Le绝，2001，26：325—327 48TosmaldKondo，Shige蛔Matsuo，SauHusJuodk也is甜以～Fbmtosecondlaserinterferencetechniquewithdif锄ctivebeam spⅡtterforfabrica虹onoft|盯ee—diInensionalphotomccrystals．4俐．螂．Le纸，2001，79：725～727 49JuodklzisS， MatsuoS， MisawaH以以一AppUcationoffemtosecondlaserpulsesformicrof曲ncationoftransparentmedia． 铆Z．·SM叼F-!配t．，2002，197—198：705～709 50TosmakKondo，ShigeldMatsuo，SauHusJuodk{屹is现以．M删photonf抽rica垃onofperiodicstmcturesbymul曲eaminter— ferenceoffemtosecondpulses．4芦叫．j|恕伊．Le掘，2003，82：2758—2760 5lKoshiroI(aneko，Hong—BoSun，Xuan一胁ngDuan以眦一Subnlicrondi锄ond—lamcephotoniccrystalsproducedbytwo_phot0 laser