加到10~10w/cm3时,激光强光场产生的电势会有仅处于熔融状态的材料,从而避免了熔融材料 将使得原子固有势垒在一定程度上得到抑制,从而的飞溅引起的材料污染和清除污染物所需要的加工 导致电子通过隧道效应获得电离;当激光强度继续成本。再者,没有热扩散,就不会产生热影响区,同 增加,Ip大于1016W/cm2时,强场势能使得电子从时也不会产生导致结构损坏的冲击波,这样就不会 原子束缚中彻底逃逸。这些电离产生的电子作为种损坏临近结构组织,不产生微裂纹,从而提高了激光 子电子,又可以进一步吸收光子产生更多的自由电微细加工的精确度和质量。 子。这些种子电子密度不依赖于外在介质,并且不 飞秒激光脉冲在微细加工中具有许多独特的加 呈现大的统计波动,光对物质的作用就从统计属性工优势,主要表现在 变成了一种确定行为,具有准确的加工阀值0 1)飞秒激光加工的组织中没有熔融区,没有重 其次,激光光束光强在空间呈高斯分布或类高铸层,不产生微裂纹。这是飞秒加工的最重要特征 斯分布1,聚焦光斑的能量分布不均匀,使得光斑避免了热熔化的存在,实现了相对意义上的“冷”加 内的光强分布存在很大的梯度,这样聚焦到物质上工,大大减弱和消除了传统加工中热效应带来的诸 的激光强度I2就是位置x和时间t的函数。光斑中多负面影响10 心区域的光强极高,超过了多光子吸收阀值;而其它 2)飞秒激光加工精度高,不受光的衍射极限的 部分的光强相对较低,低于多光子吸收阀值。对于限制,具有很高的空间分辨性 能量有限的飞秒激光脉冲而言,只有超过多光子吸 3)飞秒激光加工对材料没有选择和限制性,可 收阀值的照射区域,才会出现明确的加工行为。所以对任何材料进行精细加工、修复和处理。 以,这就不难理解飞秒激光加工时得到小于聚焦光 4)飞秒激光加工需要的脉冲能量阀值极低, 斑尺寸的加工精度了。 般只有毫焦耳量级,这决定了加工能量的低耗性 2.2等离子体屏蔽的回避 5)加工过程不产生导致结构损坏的冲击波,不 在传统的激光加工中,从固体表面喷出并膨胀损坏临界的结构组织。 的等离子体会吸收激光,通过等离子体中的热传 3飞秒激光在微细加工的应用 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 1)飞秒激光能对石英、玻璃、晶体、光纤等各种 体频率与照射激光频率达到平衡,即在临界密度领透明材料内部进行三维加工和改性。在透明材料 域被遮蔽,无法再继续进入被加工物质,这就是所中,束缚电子的电离能大于激光光子的能量,而传统 谓的等离子体屏蔽。按通常的激光脉冲标准来说,的激光加工手段,往往无法跨越物质线性吸收的能 持续时间小于10ps(相当于热传导时间)的激光脉量门槛。对于透明材料而言,只有当注射到材料的 冲属于短脉冲。作为超短脉冲的飞秒激光,由于激激光光强大于多光子吸收阀值时,才能激发透明材 光等离子体从表面向外侧膨胀时的膨胀速度约为料对光子能量的吸收。当飞秒激光照射透明材料 104m/s,如果使用的激光脉冲宽度在100fs以下,时,飞秒激光在极短的时间和极小的空间内与物质 很明显,在等离子体膨胀之前,激光照射即已停止,相互作用,又没有能量扩散损失等现象,这样在极短 从而回避了等离子体屏蔽12 时间内向作用区域内集中注入的能量获得了高效积 2.3热扩散的回避 聚,伴随着的等离子体喷发带走了几乎原有全部的 飞秒激光加工的最大特点是与物质的热扩散相热量,使得作用区域内的温度急剧下降。迅速升温 比,激光脉冲可以在更短的时间内将能量注入到被然后骤然降温,结果导致光学透明材料内部性能发 加工区域。也就是说,在照射到材料中的能量热扩生改变,其中主要是引起了折射率的变化。同时又 散之前,激光脉冲即已结束,所以能量不存在照射区不会产生破坏损伤,所以使用飞秒激光能够对光学 域的热扩散问题,从而可以得到极高的热效率精加透明材料进行内部三维结构微加工。已有的研究已 工。即使对于热扩散系数大的金属,当脉冲宽度为经证实使用飞秒激光可 100fs时,激光照射产生的热扩散长度也只有 以直接加工或者直接写 T nm,所以基本可以忽略热扩散问题 入光波导、波导分束器 因为回避了热扩散,而消除了热扩散效应带来和三维二元数据存储, 的几个不利的影响。首先,减少了因热扩散而损失甚至用飞秒激光直接写 掉的能量,提高了激光的热加工效率。其次,由于不人微光学仪器。图1 存在热扩散降低激光聚焦点的温度,使得该区域不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·加到 10“～10 W／cm。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 ，I大 于 10 W／cm。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 阀值口 。 其 次 ，激 光光 束光 强 在 空 问呈 高斯 分 布或 类 高 斯 分 布口 ，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 就是位 置 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 时问小 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 10 m／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l1。 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Do]。 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 问 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l1 。 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 · 维普资讯 http://www.cqvip.com