先进制造技术讲座

1、先进制造技术讲座飞秒激光加工的特点与应用摘要：飞秒激光加工技术是涉及机械、物理、光学、化学、材料等交叉学科领域 的前沿技术，为精密微加工提供了一种全新的革命性技术，可用于制造微纳尺度 的机电系统、光电器件、能源器件、传感器、执行器、流体系统、光纤通信系统、 生物医疗/诊断仪器、未来单兵系统、纳米卫星、芯片实验室等，在核心电子器 件、高端通用芯片和极大规模集成电路制造装备及成套工艺等“十二五”国家科 技重大专项方面占有举足轻重的地位，也是目前国际的研究热点之一。本文主要 从飞秒激光加工机理和应用方面的特点与优势，对飞秒激光加工技术进行调研分 析与论述。关键字：飞秒激光，超快，加工，应用Abstr

2、act: Femtosecond laser processing technology ，involving mechanics, physics, optics, chemistry , material and other interdisciplinary fields, is an advanced technology and provides a new revolutionary technology for precision micro machining. It can be used in the manufacture of micro and nanoscale e

3、lectromechanical system, optoelectronic devices, energy devices, sensors, actuators, fluid system, optical fiber communication system, biological, medical / diagnosis instrument, the future soldier system, nano satellite and lab on a chip etc. It has play a decisive role in the core electronic compo

4、nents, high-end general chips and great scale integrated circuit manufacturing equipment and complete sets of technology in the Twelveth five major national science and technology projects, which is currently one of the research hotspots in the international. This article, mainly focused on the char

5、acteristics and advantages of femtosecond laser machining mechanism and application research, analyses and discusses the femtosecond laser processing technology.Keywords: femtosecond laser; ultrafast; manufacturer;application.1. 引言飞秒（fs , 10-怎）激光是一种以脉冲形式运转的激光，具有极短的脉冲宽度 和极高的峰值功率。1981年，美国贝尔实验室的R. L. F

6、ork及其合作者采用被 动锁模原理，在以 Rhodamine6G 为增益介质的碰撞锁模环形染料激光器中获得 脉宽小于 100fs 的激光脉冲，这标志着飞秒激光研究的开始。然而，染料激光器 存在很多缺点：染料介质要求溶解在有机溶剂中，需要采用喷流方式，结构复杂、 难以调试，不便于使用和携带，难以小型化和实用化，且大部分染料有毒性。因 此，染料激光器不利于现实的应用和商业化的发展。1991 年，英国人 D. E. Spence 等人采用 20mm 长的钛宝石晶体作为增益介质，利用氩离子激光器全线泵浦，将 SF14 玻璃棱镜对插入激光腔补偿钛宝石的材料色散，利用钛宝石的自锁模，获 得了 60fs 的

7、激光脉冲输出，首次成功研制了以钛宝石为增益介质的飞秒激光器。 以钛宝石激光器为代表的固体激光器以其结构简单、可调协范围宽、输出功率高、 性能稳定、寿命长、无污染等优点逐渐取代了染料激光器，并获得了飞速发展。飞秒激光带来了实验室前所未有的高时间分辨率以及强电场、强磁场、高压 强和高温度的极端物理条件，引发了基础科学和技术科学的一场广泛而深刻的变 革。飞秒脉冲具有极高的时间分辨率和空间分辨率，在飞秒时间分辨光谱术，飞 秒化学，飞秒生物学等领域都有非常广泛的应用。飞秒激光可用于研究物理，化 学和生物过程中的动力学问题，成为观测和记录爆炸和化学过程等超快过程的重 要手段。2002 年 10 月，德国和

8、奥地利科学家利用飞秒激光成功观测电子运动， 从原子的层面上揭示了微观物质运动的规律。飞秒激光在病变的早期诊断，医学 成像和外科医疗等方面都发挥着极其重要的作用。飞秒激光极高的峰值功率使得其在高次谐波产生，激光等离子体，激光加工， 激光核聚变、裂变，模拟宇宙学等方面应用广阔。飞秒激光利用其独特的优势， 克服长脉冲加工材料选择性大等缺点，可对不同材料进行精密加工。气态、液态、 固态的物质在高强度飞秒激光的作用瞬间变成等离子体 ,这种等离子体可以辐射 出各种波长的射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬 X 射线飞 秒激光，0射线激光以及正负电子对。高功率的飞秒激光还可以将大气击穿，从 而释

9、放云层中聚集的雷电，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击 而造成的灾难性破坏。2. 飞秒激光加工的特点飞秒激光具有脉宽极短（10-15 秒），峰值功率极高的特点，其放大后峰值功 率可达太瓦（1012W）。这些特点使得激光加工的机理发生改变。飞秒激光加工与 传统机械及长脉冲/连续激光加工相比，具有独特的优势：超短的脉冲持续时间， 使加工热影响区减小，提高了加工质量；超强的峰值功率可以激发材料的双光子 /多光子效应，使其加工分辨率突破光衍射极限，提高了加工精度；此外，飞秒 激光还可以聚焦到透明材料内部加工复杂的三维结构。2.1 热影响区小由于飞秒激光脉冲短，在加工时与物质作用时间也短。在

10、飞秒级的作用时间 内，激光在很短的时间里使电子温度升到极高，而热量还没来得及传递给周围的 材料，激光作用就已经结束，因此其热影响非常小，长脉冲激光带来的热影响区 的材料熔融在这里几乎可以完全忽略，可大幅度减少重铸、热损伤（微裂纹）和 热影响区。其加工区域可以被精确地控制在激光焦点处，加工边缘整齐精确，极 大地提高了加工精度。B.N.Chichkov和C.Momma等人为了研究激光烧蚀的理论模型及论证飞秒激 光微纳加工具有加工精度高的优点，设置了一系列激光与固体作用的实验。如图 1所示，在真空中使用不同脉宽激光烧蚀为100Mm的薄钢片的实验，使用飞秒 激光、皮秒激光和纳秒激光的能量密度均稍高于材

11、料烧蚀阈值，分析比较烧蚀孔 洞的形貌。通过分析孔洞形貌： 1、飞秒激光烧蚀过程几乎没有热量传递的迹象， 加工孔洞周围只有一圈气体杂质环； 2、皮秒激光烧蚀结果显示有液体相 的产生，烧蚀不稳定； 3、纳秒激光烧蚀结果表明有液相和气相的产生， 并且伴随气体冲击现象。因为液相的产生将带来加工的不稳定性，飞秒激 光烧蚀过程中无液相的产生，加工精度较高；由于作用时间短，几乎无热 量的传递，故能量利用率也较高。(a)脉宽为 80ps, 900yJ, F=3.7J/cm2； (b)脉宽为 3.3ns, 1mJ, F=4.2J/cm2； (c)脉宽 为 200fs, 120jJ, F=0.5J/cm2图1不同

12、脉宽激光烧蚀薄钢片孔洞形貌2.2 加工精度高飞秒激光与物质作用时能量密度极高,会激发激光与物质作用时的一些非线 性效应。当用激光照射物质,电子通常吸收一个光子的能量,然后从基态跃迁到 激发态。这种电子跃迁的条件是入射光子的能量激发态和基态的带隙相当。所以 当单个光子的能量小于带隙时,就无法激发电子。但是,如果这种能态差相当于 两个或多个光子的能量时,则有可能依靠吸收两个或多个光子的能量使得电子发 生跃迁。这就是双光子/多光子吸收。由于材料发生双光子吸收的几率与激发光强度的平方成正比,激光能量成高 斯分布,由双光子吸收引发的光化学反应将被局限在光强度很高的焦点内极小的 区域内。虽然激光本身不能突

13、破衍射极限的限制,但是因为加工时借助于双光子 激发,其作用区域远小于焦斑,使得加工区域可以超越激光衍射极限的限制,大 大提高了该加工技术的分辨率,远远超出光学衍射的极限,达到几十纳米级别。在 2001 年, Nature 刊载了一篇利用双光子聚合作用制造微机械的文 章。文中介绍了日本大阪大学的 Kawata 和孙宏波等人根据飞秒激光双光 子吸收原理，利用负性光刻胶 SCR500，制造出相当于红细胞大小的 10p m长，7p m高的公牛三维图形（如图2所示）,加工分辨率达到了 120nm , 突破了光学衍射极限的限制。图2利用双光子聚合制图2利用双光子聚合制备的纳米牛，比例尺为2“m |2.3三

14、维加工能力飞秒激光可以产生多光子非线性吸收一为了充分利用非线性光和材料 的相互作用，通常使用近红外波长的光源。在这种情况下，多光子吸收必须在功率密度极高的焦点内很小的区域才会发生，在激光通过材料的其他 部分时，不会引起材料的反应，激光能够深入穿透大体积而无能量吸收损 失，这样就可以从内部裁剪材料，实现 3D 处理能力。在加工开始之前， 3D 图案事先可以被编辑在电脑中。 进行加工时， 激光根据已编辑的加工轨 迹进行扫描，可以实现三维加工。2.4 应用范围广泛飞秒激光与物质作用时，每种物质都有自身的破坏阈值，由于飞秒激光聚焦 后可以达到极高的强度，超过绝大部分材料的破坏阈值，因此，飞秒激光可以加

15、 工广泛的材料。可用于加工的材料包括金属、透明材料、高分子材料等，因此， 飞秒激光加工具有广泛的应用范围。3. 飞秒激光加工技术现状飞秒激光加工技术由于具有瞬时能量高、热影响小、加工分辨率高及加工材 料范围广等优点，较传统激光加工具有许多不可比拟的独特优势。因此，在加工 领域，飞秒激光技术得到了广泛的应用。3.1 飞秒激光加工微结构基于能量高度集中、热影响区小、无飞溅无熔渣、不需特殊的气体环境、无后续工艺、双光子聚合加工精度高等优势，飞秒激光在诱导金属微结构加工应用 方面和精细加工方面都取得了很大的进展。1). 孔加工；在 1 mm 厚的不锈钢薄片上，飞秒激光进行了具有深孔边缘清晰、表面干净

16、等特点的纳米级深孔加工(如图 3a) ；在金属薄膜上，钛宝石飞秒激光加工制备 出了微纳米级阵列孔(如图3b)，孔径最小达215m,孔直径在21510m间 可调，最小间距可达10m,很容易实现1050m间距调整。图 3 (a) 不锈钢薄片的深孔 (b) 金属薄膜上微纳米阵列孔2). 金属材料表面改性； 通过飞秒激光的干涉作用，与材料作用时能产生相应的周期性微结构。通过 飞秒激光双光束干涉、多光束干涉结合多次曝光和多层干涉等技术可以在各种材 料表面和体内制备一维、二维和三维等复杂周期结构。从而实现材料表面改性。3). 金属纳米颗粒加工；自 1993 年 Henglein A 等人首次利用激光消融法

17、制备金属纳米颗粒以来，许 多研究小组制备出高纯度、粒度分布均匀的金属纳米颗粒。Link H等人进一步 控制飞秒激光的能流密度和照射时间，将金属纳米棒完全融化为金属纳米点。与 其它激光脉冲相比，飞秒激光改变的金属颗粒尺寸大小和特定形状，使金属纳米 颗粒特别是贵金属(Au、Hg、Pt、Pd等)在催化、非线性光学、医用材料科学等 领域具有广阔的应用前景。. 金属掩模板加工新加坡南洋科技大学 Venkatakrishnan K 等人利用飞秒激光直写方法制作了以 金属薄膜为吸收层、石英为基底的金属掩模板，并将前入射与后入射两种方案作 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。并且

18、 利用飞秒激光超衍射极限加工有效地修补了金属镉掩模板的缺陷，修复的线宽达 到小于 100 nm 的精度。目前构建的飞秒激光修正光掩模板工具已在 IBM 的柏 林顿、佛蒙特州的掩模制作设备中运行。这对微电子技术的发展将具有重要意义。. 复杂的微结构加工 由于飞秒激光具有三维制造加工的能力，可用于复杂微结构的加工。 2009 年日本大阪大学的 Kawata 和孙宏波等人根据飞秒激光双光子吸收原理，利用负性 光刻胶SCR500，制造出相当于红细胞大小的10p m长，7p m高的公牛三维图 形。3.2光通信领域1). 光波导的制备光波导易于和光纤通信系统耦合且损耗小，在频域中呈现出丰富的传输特性 成为

19、光纤器件的研究热点。与离子注入法和热扩散型离子交换法等目前常用的制 作方法相比，飞秒激光制作波导在室温环境下进行，过程简单，波导结构在高温 时仍能保持良好的质量和稳定性。大阪大学的Watanabe W等用85 fs、重复频率 1 kHz、单脉冲能量115J的钛蓝宝石激光制作的多模干涉波导阵列，实现了高 阶模输出。目前，利用计算机精密控制飞秒激光加工平台，可以在材料内部的任 意位置制得任意形状的二维、三维或单模光波导。2）. 光栅的制备光栅在光通讯、色散补偿、光纤传感等领域中发挥着不可替代的作用。光产 业的发展，对光栅提出了更高的要求：不同几何形状排列，如六角阵列光栅； 在光纤内部刻划，如Bra

20、gg （布拉格）光纤光栅。传统加工方法工序繁杂、制作 的光栅稳定性差、寿命短。而飞秒激光微加工克服了这些缺点，永久性改变折射 率，改变量高达0.05，实现直接刻划，顺应了现代光栅微型化和多样化的发展趋 势。 Mihailov S 等人采用钛宝石飞秒激光在掺锗通信光纤纤芯上获得的反射 Bragg 光栅，具有折射率调制范围广，温度稳定性高的特点。3）. 光子晶体的制备光子禁带和光子局域是光子晶体的两大特征，使其极有可能取代大多数传统 的光学产品。但是微米甚至亚微米级三维复杂光子晶体的制备技术是急需解决的 关键问题。飞秒激光双光子聚合法灵活，加工精度高，是制备光子晶体的理想选 择。Sun H B等人

21、采用飞秒激光制出任意晶格的光子晶体，它能单独地为单个原 子选址。Serbin J等人采用飞秒激光双光子聚合得到结构尺寸小于200 nm，周期 为 450 nm 的三维微结构和光子晶体。 Markus、 Deubel 采用飞秒激光直接扫描法 制出应用于无线电通信的三维光子晶体 。国内的戴起勋等制出杆、层间距均5 m,共4层，分辨率为111m的层状木堆型光子晶体（图4）。图 4 层状木堆形光子晶体结构144). 光存储使用高分辨率存储材料无疑会增加记录密度，而采用超短激光进行亚微米级 操作会得到更好的效果。飞秒激光多光子吸收作用引起材料的永久性光致还原现 象，为超高密度三维立体光存储提供了一个全新

22、的思路，存储密度可达1013 bits/ cm3。其特点：快速的数据读、写、擦写、重写；并行数据随机存取； 相邻数据位层间串扰小；存储介质成本低。飞秒激光三维立体光存储技术 成为当前海量存储技术发展的一个新研究方向。5). 微通道的制备聚合物力学性能好，具有生物相容性，而且飞秒激光光束几乎可以毫无衰减 地到达透明材料内部的聚焦点，入射激光唯有在该点位置才能获得较高的功率密 度，发生非线性多光子吸收和电离，实现材料内任意部位三维微结构的直写。采 用 150 fs 钛蓝宝石脉冲激光在聚甲基丙烯酸甲脂( Poly2 methylMethacrylate： PMMA)内制备出最小直径2“m、最长达10

23、 mm的微通道(图5),道壁光滑且 没有裂纹，没有损坏透明材料表面，这种微通道将广泛用于生物医学技术如 DNA 拉伸、微统计分析系统等。ven hole5ft /hrWtiWEE3I图 5 微通道平面图3.3 生物医疗领域飞秒激光具有“冷”加工、能量消耗低、损伤小、准确度高、三维空间上严 格定位的优点，最大限度地满足了生物医疗的特殊要求：手术风险低，可对同 一患处进行多次手术，治疗愈合周期短；相比传统手术刀，医源性感染少； “全激光”手术，无刀胜有刀，精确度高；无痛，无并发症。此外，飞秒激光微加工技术在一些特殊领域具有广阔的应用前景： 钻孔、 切割高热导性、高熔点金属（如铼、钛等）和高硬度金刚

24、石。安全切割一些高爆 危险物品如： LX216、TNT、PETN、PBX 等，避免了长脉冲激光线性吸收、能量 转移和扩散等的影响，断面处没有炸药熔化和反应的痕迹。但在研究切割雷管时， 由于热感度较高，处理过程中发生了爆炸， 应该深入研究分析，使之能够被安 全切割。利用飞秒激光观测分析物理化学反应本质，有望控制核聚变，以获得 可控的无污染核聚变能源。将光频与波频联系起来的飞秒光梳技术，为更精确 的频率机构光钟的诞生铺平了道路。4. 总结飞秒激光在微/纳加工领域具有独特的应用潜力，成为目前微 /纳加工领域 的研究热点。飞秒激光脉冲极短和瞬时能量密度极高等特点，使其能够揭示非 平衡状态下微观加工过程

25、，并使加工精度突破相干极限的瓶颈，从而使纳米加工 和相应微/纳电子、微/纳光学的许多构想成为可能。参考文献B. N. Chichkov, C. Momma, S. Nolte,et al, Femtosecond picoseconds and nanosecond laser ablation of solids J. Appl. Phys. A, 1996,Vol. 63:109-115.Kawata S., Sun H. B. et al. Finer features for functional microdevices- Micromachines can be created w

26、ith higher resolution using two-photon absorption J. Nature. 2001, 412: 697-698.Sun H B, Xu Y , Juo dkazis S, et al. Arbitrary lattice photonic crystal created by multiphoton microfabrication J. Optical Letters, 2001,26(6):3252327.Rafael R. Gattass and Eric Mazur. Femtosecond laser micromachining in

27、 transparent materials J. Nature photonics. 2008, 2:219-226.Momma C, Nolte S, Chichkov B N et al. Short-pulse laser ablation of solid targets. J. Optical Commun. 1966, Vol. 129.Takeshi T, Toshihiko K,Masaharu T. Preparation of nanosize particles of silverwith femtosecond laser ablation in water J. Applied Surface Science, 2003, 206 (124) : 3142320.Nakata Y,Okada T,MaedaM, Nano-sized hollow bump array generated by single femtosecond laser pulse J.