飞秒激光的发展

飞秒激光的发展

20世纪60年代，美国考古学家西奥多梅曼用红棕色棒开发了世界上第一座人工激光。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。1超短激光脉冲技术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10-8s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。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10fs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。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。2飞秒激光器的记录和刷飞秒是时间单位,1飞秒就是10-13s。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激光强度与能量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。多光子吸收与照射的激光强度IP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IP位于1012~1014W/cm2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IP增加到1014~1016W/cm2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,IP大于1016W/cm2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。其次,激光光束光强在空间呈高斯分布或类高斯分布,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IP就是位置x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,持续时间小于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104m/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。2.3飞秒激光脉冲的特点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1nm,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。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飞秒激光双光子聚合微细加工的应用前景展望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间内与物质相互作用,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。图1所示为采用飞秒激光加工的高质量微型硅模具,显示了飞秒激光在硅基材料三维微制备领域的巨大应用前景。2)可以通过飞秒激光双光子聚合微细加工技术来实现聚合物的制备。在工业上,由于聚合物具有很强的可适应性和热稳定性,因此聚合物的精密加工就具有十分重要的意义。在飞秒激光微细加工的多光子吸收现象中,当满足一定条件时,存在着一种特殊的双光子吸收机制。飞秒激光双光子聚合微细加工技术作为一种制备技术,他借助于相应的设备与技术来引导激光焦点的扫描路线,把高能量密度的飞秒激光照射到液体的小分子有机物下,当激光能量超过了双光子吸收阀值时,则在大于吸收阀值的焦点中心的小部分会发生双光子聚合反应,并同时产生固化,生成大分子的聚合物,这样就得到了需要的三维结构制件。这种技术的应用具有相当大的灵活性,可以根据聚合物材料的选择不同得到不同的加工效果和不同的应用价值,同时具有远远超出衍射极限的分辨本领和真正的三维立体加工。所以这种方法具有相当的吸引力和巨大的应用潜力。在最新的研究发现中,C.R.Mendonca研究小组使用加工材料为MEH-PPV的共轭聚合物,探索了飞秒激光脉冲能量对材料加工成形的影响。研究中采用旋涂成膜法,采用脉冲宽度100fs,波长800nm,重复率为76MHz,能量2.0nJ的飞秒激光加工得到了MEH-PPV的沟槽原子力显微图片,见图2。这种有机电致发光材料因其特有的光学性能,今后将在有机发光二极管、化学传感器、半导体和显示器件等领域显示出巨大的应用潜力。3)在生物医学领域,飞秒激光具有的能量低、损伤小、准确度高并能在三维空间上严格定位等优点,使其能最大限度地满足生物医学领域的特殊需要。在材料去除方面,飞秒激光能应用于切割易碎的聚合物,而不改变其重要的生物化学特性。已有生物医学专家将它作为超精密外科手术刀,用于视力矫正手术,既能减少组织损伤又不会留下手术后遗症;人们也在研究如何将飞秒激光用于无痛牙科治疗,利用飞秒激光能去掉牙齿的一小块,而不影响周围的物质,并且不发生温度升高,避免了因温度变化引起的神经痛感,从而实现无痛治疗。在材料制备方面,飞秒激光应用于脉冲激光沉积领域,可以进行新材料薄膜制备。2004年,A.S.Loir等人在认识到由飞秒激光烧蚀沉积四面体菱形碳薄膜的特性后,研究了将其应用在髋关节上,并发现此薄膜的特性能很好的满足生物医学的要求。最新的一些研究表明,飞秒激光沉积用于制备生物材料或者生物兼容材料具有独特的优势。通过脉宽为450fs,波长为496nm的飞秒激光烧蚀冻结牙齿标靶来沉积硅基以及溴化钾薄膜,并检测了制备样品的形貌、厚度,检测了薄膜层的化学成分,结果都非常理想。图3为硅基牙齿薄膜的AFM图片。4)在细胞工程领域,应用飞秒激光在活体细胞内实现了纳米手术操作而不伤及细胞膜,飞秒激光的这些操作技术对基因疗法、细胞动力学、细胞极性、抗药性以及细胞内部不同成分和亚细胞异质结构等方面的研究都具有积极意义。4飞秒激光器的展望当今世界的许多最新科研成果、前沿技术和高新技术等,已被运用于飞秒激光加工这一全新的加工技术,他以其独特优越性能正在打破以往传统的激光加工方法,开创了材料超精细、无热损伤和3D空间加工和处理的新领域,日益引起人们的兴趣和研究热潮,无论在加工机理