飞秒激光加工及其发用 罗晓娜,刘金合,唐建宇 (西北工业大学村料学院,陕西西安710072) 摘要:綜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 独特的光柬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,另外在生物学领城也有着独特的应用。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1994年,利用脉冲放大技术获得了小于10fs的激 ·梅曼在1960年利用一个红宝石棒研制而出。激光脉冲51 光作为一种崭新的光源,具有高度的方向性、单色 自1993年起,科研人员开始研发飞秒光纤激光 性、光亮度和相干性,换句话说激光可以在很大的相器。飞秒光纤激光器同气体或常规固体激光器相 干体积内有很高的相干光强。激光作为20世纪的比,具有结构简单、散热效果好、转换效率高、可靠性 项重大发明,带来了光学及其应用技术的革命。能高等优点6。以被动锁模技术为主导的超短脉冲 近几十年来的发展表明,激光科学和技术有力促进激光器,目前是飞秒光纤激光器研究的一个热点 了物理学、化学和生物学的发展。 另外,采用半导体激光器为泵浦源的Yb基飞秒固 1飞秒激光发展史 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 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2飞秒激光加工的机理和特点 了稳健的发展,同时,由于激光短脉冲具有的快、微、 飞秒是时间单位,1飞秒就是10-13s。近20年 强等特性,使其在微细加工等领域具有独特优势,也来,从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激 同样促进了激光短脉冲化进程的发展。飞秒激光就光器,以及后来的飞秒光纤激光器和二极管泵浦的 是在激光短脉冲化的过程中发展壮大起来的。激光全固态飞秒激光器,飞秒激光的脉冲宽度和能量的 诞生时的振荡脉冲宽度是微秒级,峰值功率也只有记录都在不断刷新。以脉冲形式工作的飞秒激光 几十千瓦,仅仅一年后利用调Q技术,脉冲宽度便具有脉冲持续时间极短、脉冲瞬时功率极高、聚焦电 降低到了108s量级。1965年人们利用被动锁模磁场场强极强等特点。 技术在红宝石激光器中直接得到了皮秒级的脉冲宽2.1飞秒激光加工机理 度,此后,超短激光脉冲技术得到迅速发展2 飞秒激光脉冲的光束特性决定了他是激光微细 飞秒激光首先是在染料激光器中利用碰撞脉冲加工中最理想的工具。飞秒激光加工可以实现小 锁模的原理得到的。70年代,染料激光器采用锁模于焦点光斑尺寸的精度加工,原因在于多光子吸收 技术得到亚皮秒脉冲之后,伴随着宽带可调谐激光的光强依赖性。首先,飞秒激光加工时存在着准确 晶体和自锁模技术的出现,超短脉冲的激光技术获的多光子吸收阀值。从光和物质相互作用的角度而 得了突飞猛进的发展。1985年R.L.Fork等人已言,飞秒激光是在极短的时间、极小的空间尺度、极 经获得了27fs的超短脉冲。1987年,他们又利用端的物理条件下对物质进行加工,其过程与传统的 自相位调制和光栅压缩的原理,得到了短至6fs的激光加工线性吸收不同,主要涉及多光子吸收 激光脉冲。随后锁模钛宝石激光器的问世,解决了多光子吸收与照射的激光强度Ip以及电磁场强度 染料激光器所固有的缺点,1991年 Spence等人首密切相关,强的激光强度同时又激励了强的电磁场, 次研制出自锁模钛宝石飞秒激光器,获得60fs的这样极大的刺激了多光子吸收。当激光强度Ip位 脉冲宽度{3。其后,为了克服固体激光物质对飞秒于102~104W/cm2时,材料中的电子将同时吸收 激光放大时产生的自聚焦效应而开发了脉冲放大技多个光子,在高强度激光电磁场中可以容易地从原 术,对于飞秒激光的发展具有非常重要的意义。子和分子中剥离电子而产生电离;当激光强度ⅠP增 《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究2008年第2期飞秒 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 ：TG 456．7 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 表 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 l1]。 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 S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 ]。 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_3]。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 1Ofs的激 光脉 冲 ]。 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 l_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 l7]。 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 。S。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 ]。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 [g]。 多 光子 吸收 与 照射 的激 光 强度 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 位 于 10 ～10“w／cm 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 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 维普资讯 http://www.cqvip.com