激光原理小論文

激光原理小論文摘要：介紹了激光微加工技術(shù)的特點以及幾種加工技術(shù)的比擬，主要介紹了激光LIGA技術(shù)和雙光子激光微成型技術(shù)，和這兩項技術(shù)在未來科學(xué)中的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：激光微加工技術(shù)；激光LIGA技術(shù)；納米牛；1．引言隨著新激光裝置的開發(fā)，激光加工技術(shù)也取得了巨大進(jìn)展。60-70年代是YAG激光器與二氧化碳激光器的時代，主流是金屬加工。進(jìn)入80年代后，準(zhǔn)分子激光器登場，開展為利用它的短波長對聚合物、瓷器等非金屬材料進(jìn)行精密加工。進(jìn)入9O年代后，飛秒鈦藍(lán)寶石激光器進(jìn)入了加工領(lǐng)域，其背景是時代對各種材料要求更精密的加工技術(shù)及隨著激光技術(shù)的進(jìn)步，可以容易地得到飛秒領(lǐng)域的超短脈沖激光.確實，準(zhǔn)分子激光器與往的YAG激光器及二氧化碳激光器相比，可用于更精密的加工，但不適合金屬材料的加工。而YAG激光器與二氧化碳激光器根本上屬于熱加工，因此加工精度存在問題。與此相比，飛秒激光與材料的熱擴散速度相比，能更快地在激光照射部位注入能量，即使是熱擴散較快的金屬材料也能提高加工精度。而且，通過利用多光子吸收，還能處理非線性吸收禁帶寬的材料。此外，通過利用非線性效應(yīng)正在開發(fā)打破以往激光加工常規(guī)的新加工方。

高功率飛秒脈沖激光的開展，使得利用相對較小的臺式激光獲得瞬間高功率成為可能。再加上利用透鏡聚焦，能以很低的脈沖能量獲得超強光場，并且由于脈沖時間很短，激光輻照區(qū)淀積的能量難以通過熱擴散途徑逸出輻照區(qū)域，因此飛秒激光可實現(xiàn)其它諸如納秒脈沖激光和連續(xù)激光難以實現(xiàn)的超精細(xì)加工。另外，透明介電材料在這種超快、超強激光脈沖的作用下，由于時空領(lǐng)域的超高光子密度誘導(dǎo)多光子吸收和多光子電離，使得只在激光聚焦的焦點附近產(chǎn)生由電子躍遷和組織重構(gòu)所引起的新現(xiàn)象，如吸收性能、熒光性能和折射率的變化等。由此產(chǎn)生的新工藝、新材料可用于超高密度三維光學(xué)數(shù)據(jù)存儲、三維光子晶體的精密制備,以及光波導(dǎo)、微型光柵的制備等.在微電子、計算機、光通信等高技術(shù)領(lǐng)域有著廣大的應(yīng)前景。

近年來，尤其是超精細(xì)激光加工方面的研究進(jìn)入了世界科學(xué)的前沿。

2.激光微納加工技術(shù)介紹

常用激光微加工技術(shù)有激光直寫技術(shù)，激光LIGA技術(shù)，激光微立體光刻技術(shù)，激光輔助氣相沉積技術(shù)，激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)以及脈沖激光刻蝕技術(shù)。下邊主要介紹激光LIGA技術(shù)和脈沖激光刻蝕技術(shù)。

激光LIGA技術(shù)簡單流程圖如下，它采用準(zhǔn)分子激光深層刻蝕，經(jīng)過光刻-電鑄-微復(fù)制幾個流程，其特點是采用厚膠光刻、電鑄和微復(fù)制工藝大批量制備金屬和塑料微結(jié)構(gòu)。LIGA技術(shù)自從上世紀(jì)八十年代開發(fā)出來后，已研制出各種MEMS器件、微傳感器和微致動器，如微齒輪、微彈簧等。在航空航天、國防軍事、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)化工等領(lǐng)域具有廣大的應(yīng)用前景。

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利用這項技術(shù)加工的微型器件如圖所示所示：

圖2.1LIGA技術(shù)生產(chǎn)的鋁合金微型齒輪

圖2.2光刻膠厚度＝200μm

圖2.3每層厚200μm每層厚300μm

圖2.4鎳微齒輪，每層厚200μm鎳微彈簧，厚度＝200μm

現(xiàn)在激光微加工技術(shù)新研究領(lǐng)域是激光刻蝕和激光微切割成型，它采用短波長的倍頻激光或皮秒，飛秒激光結(jié)合高精度數(shù)控機床，刻蝕加工各種材料。用短脈沖在這些材料外表刻蝕，再將材料清除，其外表形成的微結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比用脈沖加工高的多。激光微切割成型，原理上與激光刻蝕相同，也是采用倍頻或飛秒激光為光源，對光束精細(xì)聚焦，精確控制能量的輸入，熱影響小，進(jìn)行微細(xì)清除切割成型。

由于飛秒

脈沖燒蝕閾值確實定性，使得飛秒激光微精細(xì)加工過程變得可以精確控制。相信隨著飛秒激光加工技術(shù)的成熟以及應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，采用飛秒激光微精細(xì)加工技術(shù)，可以實現(xiàn)任何材料的打標(biāo)、鉆孔、切割、刻劃等目的，也可實現(xiàn)微機械儀表及機器人中的微器件加工，甚至精密器件電阻平衡的微調(diào)；利用飛秒激光高功率密度產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，可直接在透明材料體內(nèi)加工出可實用光學(xué)器件，甚至實現(xiàn)透明材料內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲

飛秒激光聚焦后功率密度極高,焦點處的光場強度大大超過了原子內(nèi)的庫侖場強.【1】因此，材料的雙光子吸收占優(yōu)勢，原本紫外光固化的液態(tài)樹脂,在800納米波長鈦寶石飛秒激光(兩個800納米波長光子的能量等于一個400納米波長紫外光子的能量)的輻照下發(fā)生聚合反饋.在焦點處形成固體．通過激光焦點的掃描就可得到需要的立體結(jié)構(gòu)．如果將激光能量調(diào)節(jié)在剛才超過雙光子聚合的閾值就可能到達(dá)小于焦點的結(jié)構(gòu)(激光的強度在橫截面內(nèi)的分布是鐘形的．只有大于閾值的焦點中心局部發(fā)生固化)

圖2.2

由于具用一些獨特的性質(zhì)【2】，雙光子激光微成型加工技術(shù)近年來在微技術(shù)領(lǐng)域越來越受到關(guān)注。雙光子激光微成型的特點主要表現(xiàn)在：1〕信噪比高，由瑞利-拉曼散射導(dǎo)致的背景干擾可以忽略；2〕防止使用復(fù)雜的紫外波段的物鏡和紫外光學(xué)元件；3〕紅外激光具有相對較深的傳播距離，使得雙光子激發(fā)共焦激光掃描熒光顯微鏡可對渾濁的樣品外表下列較深處進(jìn)行成像；4〕雙光子激發(fā)過程被緊緊局限在焦點附近的很小區(qū)域，如此小的有效作用體積雙光子具備極其優(yōu)越的空間分辨率。在2008年8月16號出版的?Naure》的"briefcomunications"專欄中的一偏文章介紹了日本科學(xué)家S。Kawata【3】小組利用雙光子激光制作的長10微米，高7微米的公牛模型。雙光子技術(shù)成為世界廣泛關(guān)注的激光微技術(shù)。使得"納米牛"成為該領(lǐng)域的代表性符號。在國內(nèi)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)采用這種辦法成功制作了直徑30微米的齒輪。

3．超精細(xì)激光加工領(lǐng)域的代表性工作

"納米牛"是超精細(xì)激光領(lǐng)域的代表性符號。它是日本大阪大學(xué)的科學(xué)家首次使用激光雕刻出了一個僅有紅細(xì)胞大小的立體公牛像。如圖所示所示 ，它的制作主要就是利用了雙光子激光微成型技術(shù)

關(guān)于他們的工作，在2008年8月16日出版的英國?自然》雜志上報告說，他們使用兩束激光對一種遇到激光就會凝固的樹脂材料進(jìn)行加工，雕刻出了這個迄今用人工伎倆制造出的最小的動物雕像。在制造過程中，大阪大學(xué)的科學(xué)家使用兩股激光射線照射合成樹脂溶液，溶液中只有被兩股激光射線交叉照射到的那局部樹脂才凝固起來，形成雕塑件的"部件"，這樣的部件的精度為120納米，而1納米是一百萬分之一毫米。雖然這頭公牛僅有10微米長、7微米高，但線條流暢、造型準(zhǔn)確，向右方彎曲的身體充斥動感。當(dāng)然，科學(xué)家雕刻這頭公牛并不是想在藝術(shù)上有何造就，而是為了檢驗一下他們使用的"雙光子光聚合"技術(shù)的加工精度。這頭公牛是他們對該項技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)、把精確度提高到120納米的結(jié)果。

科學(xué)家不是突發(fā)美學(xué)興趣或為了減輕研究工作的繁重才"改行"做雕塑的，他們這樣做是為今后使用納米技術(shù)制造能在血管中移動的"納米機器"做準(zhǔn)備。為什么要雕塑出一個牛呢？這是因為牛有很尖的尖角，周身既有平滑局部，又有彎度很大的局部，對制作技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，能完美造出"納米牛"，也就能造出各樣的納米機器。

科學(xué)家表示，他們希望這種技術(shù)將來能用于制造極為微小的醫(yī)療器件，這些器件可以在人體的血管中自由通行、進(jìn)行治療。該技術(shù)還可用于制造微型傳感器、新型計算機存儲器等。不過科學(xué)家也指出，這項技術(shù)尚處于早期研究階段，離付諸實用還有一段距離。與此同時，大阪的科學(xué)家用同樣的辦法已經(jīng)造出了一個"納米彈簧"，自然該彈簧也是迄今為止人類制造的最小的彈簧，它能在激光作用下像普通的金屬彈簧一樣振動，科學(xué)家希望，這樣的彈簧能成為將來納米機器的部件。

值得一提的是參與這項工作并做出重大奉獻(xiàn)的有一名中國科學(xué)家，他就是超精細(xì)激光加工領(lǐng)域世界出名的科學(xué)家孫洪波，現(xiàn)任吉林大學(xué)電子項目學(xué)院院長。1969年生，非長年輕的一位青年科學(xué)家。1992年和1996年分別在吉林大學(xué)獲得學(xué)士

和博士學(xué)位。他現(xiàn)在是特聘教授、國家杰出青年基金獲得者、集成光電子學(xué)聯(lián)合國家重點實驗室吉林大學(xué)實驗區(qū)主任。1992-1996年攻讀博士學(xué)位期間從事半導(dǎo)體量子阱超短激光脈沖激光器的制備與超短激光脈沖特性的研究；自1996年起在日本工作10年，回國前任大阪大學(xué)特聘教授，主要研究方向是探索先進(jìn)的光子學(xué)、光電子技術(shù)尤其是飛秒激光微納加工技術(shù)在信息光子元件、微電器件、維納機械和生物制造等領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來在Nature、Adv.PolymerSci.、Adv.Mater.、Phys.Rev.、Appl.Phys.Lett.和Opt.Lett.等國際期刊上發(fā)表論文60余篇，被SCI論文引用1200余次,上述論文中被Nature、Science和LaserFocusWorld等雜志專文介紹30余篇次，30余次做國際會議主題報告和特邀報告。由于其在微納激光制造領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作，得到了日本科學(xué)技術(shù)事業(yè)振興事業(yè)團的21世紀(jì)先驅(qū)研究方案工程(相當(dāng)于中國的國家杰出青年方案)的資助，為他專門建立了進(jìn)行微納激光制造的"孫實驗室"；2008年，由于他在"多光子納米加工"方面的開創(chuàng)性工作，獲得日本光科學(xué)與技術(shù)財團的顯著奉獻(xiàn)獎；該獎面向日本全國，每年評選一至二人。申請者與日本東北大學(xué)的另一研究者，因各自在不同領(lǐng)域的研究同時獲獎；2008年，他以吉林大學(xué)教授的身份獲日本文部大臣表彰-青年科學(xué)家獎。

4．結(jié)語

微加工是當(dāng)今制造業(yè)最為活潑的研究方向之一，微機械技術(shù)的開展水平已經(jīng)成為一個國家綜合實力的衡量規(guī)范之一。IBM公司已將飛秒激光加工技術(shù)應(yīng)用于電子線路模板矯正。醫(yī)療上，用飛秒激光微細(xì)加工技術(shù)可加工出性能優(yōu)良的心臟起搏器，心血管固定支架，以及進(jìn)行無接觸眼瞼手術(shù)等?？傊?，在微機械微電子、微光學(xué)、微結(jié)構(gòu)、微生物、微醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。激光可以直接應(yīng)用于微米甚至納米尺寸的微精細(xì)加工，前景誘人。

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