飞秒激光加工技术 飞秒激光具有脉冲宽度窄(几个到上百个飞秒)、峰值功率高(最高可达到拍 瓦量级)的特性.从常规飞秒激光振荡器输出的激光经聚焦后可在焦点处得到 1011—1012W/cm2量级的功率密度,而从飞秒激光放大器中得到的聚焦峰 值功率则可以达到1020W/cm2,甚至可达到1021W/cm2 飞秒激光微纳加工的类型 ●激光烧蚀( ablation)微加工 激光烧蚀利用了飞秒激光高强度和短脉冲的特点,它具有比长脉冲激 光(如调Q的Nd:YAG激光)优秀得多的加工效果 双光子聚合( two photopoly2 merization加工 双光子聚合制备三维微纳结构是飞秒激光微纳加工中最独特也是最 具有应用前景的一种方法,它的原理是利用光与物质相互作用的非线 性双光子聚合作用获得远小于衍射极限的加工尺寸
飞秒激光具有脉冲宽度窄(几个到上百个飞秒) 、峰值功率高(最高可达到拍 瓦量级)的特性. 从常规飞秒激光振荡器输出的激光经聚焦后可在焦点处得到 1011 —1012W / cm2 量级的功率密度,而从飞秒激光放大器中得到的聚焦峰 值功率则可以达到1020W / cm2 ,甚至可达到1021W / cm2 。 飞秒激光微纳加工的类型 ⚫激光烧蚀( ablation) 微加工 激光烧蚀利用了飞秒激光高强度和短脉冲的特点,它具有比长脉冲激 光(如调Q的Nd: YAG激光)优秀得多的加工效果 ⚫双光子聚合( two photopoly2 merization)加工 双光子聚合制备三维微纳结构是飞秒激光微纳加工中最独特也是最 具有应用前景的一种方法,它的原理是利用光与物质相互作用的非线 性双光子聚合作用获得远小于衍射极限的加工尺寸 飞秒激光加工技术
飞秒激光微纳加工 反射镜 飞秒激光 中性密度滤光器 物镜 辅助气体 样品 计算机 X平台
飞秒激光微纳加工
双光子聚合加工 ·双光子吸收采用具有超短和超强特性的飞秒激光 作为光源 具有两方面的新颖特性: ①双光子吸收是长波吸收短波发射的过程,激发光对介质 穿透率高,可有效地减少介质对激发光吸收等过程的耗 散和破坏,并能用可见光或近红外光来激励那些原本需 要远紫外光才能激发的体系 ②由于材料的双光子吸收与激发光强的平方密切相关,因 而在紧密聚焦的条件下,双光子吸收仅局限在物镜焦点 处空间体积约为入3(入为入射光波长)的小范围空间内
双光子聚合加工 • 双光子吸收采用具有超短和超强特性的飞秒激光 作为光源 • 具有两方面的新颖特性: ①双光子吸收是长波吸收短波发射的过程,激发光对介质 穿透率高,可有效地减少介质对激发光吸收等过程的耗 散和破坏,并能用可见光或近红外光来激励那些原本需 要远紫外光才能激发的体系 ②由于材料的双光子吸收与激发光强的平方密切相关,因 而在紧密聚焦的条件下,双光子吸收仅局限在物镜焦点 处空间体积约为λ3 (λ为入射光波长)的小范围空间内
激发态 700nm 450nm 350nm 450nm 700nm 基态 单光子激光 双光子激光 图1单、双光子吸收过程示意
为何能突破衍射极限 ·光强依赖性 ·双光子聚合明显的阈值性 ·聚焦后的激光强度在空间上呈高斯或类高 斯分布
为何能突破衍射极限 • 光强依赖性 • 双光子聚合明显的阈值性 • 聚焦后的激光强度在空间上呈高斯或类高 斯分布
双光子聚合加工系统 监测器 固化树脂可光聚合树脂 CCD 灯 计算机 三维平移台 快门 物镜 钛宝石激光器
双光子聚合加工系统
双光子聚合加工的应用 2 um 2 u m m 加工系统:锁模钛宝石飞秒振荡器,脉宽150fs,中心波长780ηm,重复频 率76MHz.激光由一个数值孔径NA=1.4的物镜聚焦.实验所用的树脂 (型号为SCR500由日本的JSR公司生产),该树脂对近红外波长是透明的, 允许钛宝石激光入射到树脂深处 纳米牛尺度:长10um,高7μm,最细微部分的尺寸为120nm,是目前世 界上人工制作的最小动物模型。它的大小和人体红血球差不多
加工系统：锁模钛宝石飞秒振荡器,脉宽150fs,中心波长780nm,重复频 率76MHz. 激光由一个数值孔径NA = 1. 4 的物镜聚焦. 实验所用的树脂 (型号为SCR500,由日本的JSR公司生产),该树脂对近红外波长是透明的, 允许钛宝石激光入射到树脂深处 纳米牛尺度：长10μm,高7μm，最细微部分的尺寸为120nm，是目前世 界上人工制作的最小动物模型。它的大小和人体红血球差不多 双光子聚合加工的应用
加工原理示意 源光光 物
加工原理示意
制备纳米颗粒 利用溶胶-凝胶方法产生掺金(Au离子SO2 /T○2玻璃薄膜, ·对之进行双光子吸收操作后形成了金纳米 颗粒阵列 掺钛(T)离子的光聚合树脂( urethane acrylate)进行双光子聚合,在聚合物结构上 产生了TO2纳米颗
制备纳米颗粒 • 利用溶胶- 凝胶方法产生掺金(Au)离子SiO2 /TiO2 玻璃薄膜, • 对之进行双光子吸收操作后形成了金纳米 颗粒阵列 • 掺钛( Ti)离子的光聚合树脂( urethane acrylate)进行双光子聚合,在聚合物结构上 产生了TiO2 纳米颗
高密度存储 原理 掺杂 sp Iropyran分子的聚甲基丙烯酸甲酯 (PM2MA)是一种光反应变色材料,通过双光子 吸收过程在样品中产生折射率的改变,从而实现 高质量的微结构。 光反应变色材料的最大特点在于其光学可逆性, 利用光学辐照,可以使反应后的产物重新恢复到 反应前的状态,所以这种材料在可擦写光学信息 存储、波导写入等领域具有巨大的应用潜力
高密度存储 • 原理一 掺杂sp iropyran分子的聚甲基丙烯酸甲酯 ( PM2MA) 是一种光反应变色材料， 通过双光子 吸收过程在样品中产生折射率的改变，从而实现 高质量的微结构。 光反应变色材料的最大特点在于其光学可逆性， 利用光学辐照，可以使反应后的产物重新恢复到 反应前的状态，所以这种材料在可擦写光学信息 存储、波导写入等领域具有巨大的应用潜力