飛秒激光微加工技術(shù)在微加工中的應(yīng)用

飛秒激光微加工技術(shù)在微加工中的應(yīng)用1飛秒激光加工微結(jié)構(gòu)基于能量高度集中、熱影響區(qū)小、無(wú)飛濺無(wú)熔渣、不需特殊的氣體環(huán)境、無(wú)后續(xù)工藝、雙光子聚合加工精度可達(dá)0.7pm等優(yōu)勢(shì)，飛秒激光在誘導(dǎo)金屬微結(jié)構(gòu)加工應(yīng)用方面和精細(xì)加工方面都取得了很大的進(jìn)展。(1＞孔加工在1mm厚的不銹鋼薄片上，飛秒激光進(jìn)行了具有深孔邊緣清晰、表面干凈等特點(diǎn)的納M級(jí)深孔加工(如圖1a＞；在金屬薄膜上，鈦寶石飛秒激光加工制備出了微納M級(jí)陣列孔(如圖1b＞，孔徑最小達(dá)2.5um，孔直徑在2.5-10Um間可調(diào)，最小間距可達(dá)10um，很容易實(shí)現(xiàn)10-50Um間距調(diào)整。圖1不銹鋼薄片上的深孔(W和金屬薄膜上的微納米級(jí)陣列孔(b)Fig1Deephulesinthestaicileassteel(a)andSEMinv哪ofnsicrohoks-arrayinmetaJ^Lidace(h)(2＞金屬材料表面改性1999年，德國(guó)漢諾威激光中心NolteS等人首次報(bào)道了結(jié)合鈦寶石飛秒激光三倍頻光(260nm＞和SNOM(掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡＞在金屬鎘層制出了線寬僅200nm的凹槽。為以后的無(wú)孔徑近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡(ANSOM＞取代SNOM奠定了基礎(chǔ)，獲得了高達(dá)70nm的空間分辨率，開(kāi)拓了遠(yuǎn)場(chǎng)技術(shù)在納M范圍下的物理化學(xué)特性以及輸運(yùn)機(jī)制的研究。（3＞金屬納M顆粒加工自1993年HengleinA等人首次利用激光消融法制備金屬納M顆粒以來(lái)，許多研究小組制備出高純度、粒度分布均勻的金屬納M顆粒。LinkH等人進(jìn)一步控制飛秒激光的能流密度和照射時(shí)間，將金屬納M棒完全融化為金屬納M點(diǎn)。與其它激光脈沖相比，飛秒激光改變的金屬顆粒尺寸大小和特定形狀，使金屬納M顆粒特別是貴金屬（Au、Hg、Pt、Pd等＞在催化、非線性光學(xué)、醫(yī)用材料科學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。（4＞金屬掩模板加工新加坡南洋科技大學(xué)VenkatakrishnanK等人利用飛秒激光直寫方法制作了以金屬薄膜為吸收層、石英為基底的金屬掩模板，并將前入射與后入射兩種方案作了比較，發(fā)現(xiàn)采用前入射的方法能夠得到更小的特征尺寸和好的邊緣質(zhì)量。并且利用飛秒激光超衍射極限加工有效地修補(bǔ)了金屬鎘掩模板的缺陷，修復(fù)的線寬達(dá)到小于100nm的精度。目前構(gòu)建的飛秒激光修正光掩模板工具巳在IBM的柏林頓、佛蒙特州的掩模制作設(shè)備中運(yùn)行。這對(duì)微電子技術(shù)的發(fā)展將具有重要意義。（5＞復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)加工①耐熱玻璃上的水渠道結(jié)構(gòu)（圖2＞，邊緣質(zhì)量較好。但結(jié)構(gòu)的精確性、表面和底端形態(tài)還有待改進(jìn)；②光敏樹(shù)脂里面制作的世界上最小的人造動(dòng)物模型：10pm長(zhǎng)，7pm高的公牛；③ScR500樹(shù)脂內(nèi)制備的約10pm的微型金字塔和房子模型；④光刻膠上飛秒雙光子聚合（Two-PhotonP01ymerization：TPP＞的微型蜘蛛和恐龍模型（圖3＞等。圖2酎熱政璃上深4jim的水渠道結(jié)構(gòu)Fig2SEMmicrographofachannd-nfisiirvuirstmcmreinPyrex{Depth*4pm)

圖3加工的微小購(gòu)蛛％(也)和恐龍模型K(b)的日描電子顯微鏡圖Fig3AscanningeJectrvi]micnM^opeimageof&圖3加工的微小購(gòu)蛛％(也)和恐龍模型K(b)的日描電子顯微鏡圖Fig3AscanningeJectrvi]micnM^opeimageof&fnicraspider-array"(時(shí)andp-dr^nmrdeL迎(b)fabricatedbyTFPlechntque2光通信領(lǐng)域光通信的高速率、大容量和寬帶寬的發(fā)展方向，要求光電器件的高度集成化。而集成化的前提是光電器件的微型化。因此，光電器件的微型化是當(dāng)前光通信領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)。近年來(lái)，相比傳統(tǒng)的光電技術(shù)，飛秒激光微加工技術(shù)將成為新一代光電器件的制造技術(shù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在光波導(dǎo)的制備技術(shù)等諸多方面進(jìn)行了有益的探索，取得了很大的進(jìn)展。(1＞光波導(dǎo)的制備光波導(dǎo)易于和光纖通信系統(tǒng)耦合且損耗小，在頻域中呈現(xiàn)出豐富的傳輸特性，成為光纖器件的研究熱點(diǎn)。與離子注入法和熱擴(kuò)散型離子交換法等目前常用的制作方法相比，飛秒激光制作波導(dǎo)在室溫環(huán)境下進(jìn)行，過(guò)程簡(jiǎn)單，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在高溫時(shí)仍能保持良好的質(zhì)量和穩(wěn)定性。美國(guó)學(xué)者用飛秒激光制備的增益光波導(dǎo)長(zhǎng)1cm，可產(chǎn)生3dB/cm的信號(hào)增益。大阪大學(xué)的WatanabeW等用85fs、重復(fù)頻率lkHz、單脈沖能量1.5MJ的鈦藍(lán)寶石激光制作的多模干涉波導(dǎo)陣列，實(shí)現(xiàn)了高階模輸出。目前，利用計(jì)算機(jī)精密控制飛秒激光加工平臺(tái)，可以在材料內(nèi)部的任意位置制得任意形狀的二維、三維或單模光波導(dǎo)。(2＞光柵的制備光柵在光通訊、色散補(bǔ)償、光纖傳感等領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)光柵提出了更高的要求：①不同幾何形狀排列，如六角陣列光柵；②在光纖內(nèi)部刻劃，如Bragg(布拉格＞光纖光柵。傳統(tǒng)加工方法工序繁雜、制作的光柵穩(wěn)定性差、壽命短。而飛秒激光微加工克服了這些缺點(diǎn)，永久性改變折射率，改變量高達(dá)0.05,實(shí)現(xiàn)直接刻劃，順應(yīng)了現(xiàn)代光柵微型化和多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。MihailovS等人采用鈦寶石飛秒激光在摻鍺通信光纖纖芯上獲得的反射Bragg光柵，具有折射率調(diào)制范圍廣，溫度穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。(3＞光子晶體的制備光子禁帶和光子局域是光子晶體的兩大特征，使其極有可能取代大多數(shù)傳統(tǒng)的光學(xué)產(chǎn)品。但是微M甚至亞微M級(jí)三維復(fù)雜光子晶體的制備技術(shù)是急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。飛秒激光雙光子聚合法靈活，加工精度高，是制備光子晶體的理想選擇。SunHB等人采用飛秒激光制出任意晶格的光子晶體，它能單獨(dú)地為單個(gè)原子選址。serbinJ等人采用飛秒激光雙光子聚合得到結(jié)構(gòu)尺寸小于200nm，周期為450nm的三維微結(jié)構(gòu)和光子晶體㈣J。MarkusDeubel采用飛秒激光直接掃描法制出應(yīng)用于無(wú)線電通信的三維光子晶體。國(guó)內(nèi)的戴起勛等制出桿、層間距均5口m，共4層，分辨率為1.川m的層狀木堆型光子晶體(如圖4＞。圖4層狀木堆型光子艄體結(jié)構(gòu)F電4Layer-by4ayeroflogwtrwemreofphoboniawystal(4＞光存儲(chǔ)使用高分辨率存儲(chǔ)材料無(wú)疑會(huì)增加記錄密度，而采用超短激光進(jìn)行亞微M級(jí)操作會(huì)得到更好的效果。飛秒激光多光子吸收作用引起材料的永久性光致還原現(xiàn)象，為超高密度三維立體光存儲(chǔ)提供了一個(gè)全新的思路，存儲(chǔ)密度可達(dá)1013bits/cm3。其特點(diǎn)：①快速的數(shù)據(jù)讀、寫、擦寫、重寫；②并行數(shù)據(jù)隨機(jī)存??；③相鄰數(shù)據(jù)位層間串?dāng)_??；④存儲(chǔ)介質(zhì)成本低。飛秒激光三維立體光存儲(chǔ)技術(shù)成為當(dāng)前海量存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新研究方向。(5＞微通道的制備聚合物力學(xué)性能好，具有生物相容性，而且飛秒激光光束幾乎可以毫無(wú)衰減地到達(dá)透明材料內(nèi)部的聚焦點(diǎn)，入射激光唯有在該點(diǎn)位置才能獲得較高的功率密度，發(fā)生非線性多光子吸收和電離，實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)任意部位三維微結(jié)構(gòu)的直寫。采用150fs鈦藍(lán)寶石脈沖激光在聚甲基丙烯酸甲脂(PolymethylMethacrylate：PMMA＞內(nèi)制備出最小直徑2口m、最長(zhǎng)達(dá)10mm的微通道(如圖5＞，道壁光滑且沒(méi)有裂紋，沒(méi)有損壞透明材料表面，這種微通道將廣泛用于生物醫(yī)學(xué)技術(shù)如DNA拉伸、微統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)等。圖5多微通道平面圖Fig,5Flansheetofmicro-channelswithpasses3生物醫(yī)療領(lǐng)域飛秒激光具有"冷''加工、能量消耗低、損傷小、準(zhǔn)確度高、三維空間上嚴(yán)格定位的優(yōu)點(diǎn)，最大限度地滿足了生物醫(yī)療的特殊要求：①手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低，可對(duì)同一患處進(jìn)行多次手術(shù)，治療愈合周期短；②相比傳統(tǒng)手術(shù)刀，醫(yī)源性感染少；③''全激光''手術(shù)，無(wú)刀勝有刀，精確度高；④無(wú)痛，無(wú)并發(fā)癥。目前，在此方面取得的研究進(jìn)展有：①在牙齒、隱形眼鏡上鉆孔，邊緣干凈、無(wú)損傷；②非熱性手術(shù)切割燒蝕腦組織樣品b51；③納M切割人體染色體；④制作血管支架，力學(xué)性能好，可望解決血管再狹窄問(wèn)題，即治療冠心??；⑤飛秒激光飛行質(zhì)譜DNA排序；⑥飛秒激光激發(fā)的熒光顯微術(shù)對(duì)小鼠植入前胚胎內(nèi)細(xì)胞中的鈣信號(hào)和染色體實(shí)現(xiàn)真正的三維、四維實(shí)時(shí)成像。等。最具有現(xiàn)實(shí)意義的是美國(guó)INTRALASE公司的Intmlase飛秒激光，可以按任何角度、形狀設(shè)計(jì)制作光滑而且厚度均勻一致的角膜瓣，精確到±10“m。至今Intralase飛秒激光的LASIK手術(shù)巳經(jīng)超過(guò)30萬(wàn)例，臨床統(tǒng)計(jì)它的精度要超過(guò)傳統(tǒng)角膜刀100多倍。IntraLase"飛秒激光”的出現(xiàn)，使人類第一次在眼角膜手術(shù)上離開(kāi)了手術(shù)刀，真正實(shí)現(xiàn)了''全程無(wú)刀手術(shù)"?，F(xiàn)在科研者正努力將其用于青光眼及白內(nèi)障等手術(shù)中。在生物醫(yī)學(xué)中，飛秒激光僅局限為一種外科手術(shù)工具，要想將其廣泛用于醫(yī)學(xué)診斷、生物活體檢測(cè)、蛋白質(zhì)分析等方面，還有許多技術(shù)層面上的問(wèn)題需要研究和解決。此外，飛秒激光微加工技術(shù)在一些特殊領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景：①鉆孔、切割高熱導(dǎo)性、高熔點(diǎn)金屬（如銖、鈦等＞和高硬度金剛石。②安全切割一些高爆危險(xiǎn)物品如：LX-16、TNT、PETN、PBx等，避免了長(zhǎng)脈沖激光線性吸收、能量轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散等的影響，斷面處沒(méi)有炸藥熔化和反應(yīng)的痕跡。但在研究切割雷管時(shí)，因?yàn)闊岣卸容^高，處理過(guò)程中發(fā)生了爆炸H1|，應(yīng)該深入研究分析，使之能夠被安全切割。③利用飛秒激光觀測(cè)分析物理化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)，有望控制核聚變，以獲得可控的無(wú)污染核聚變能源。④將光頻與波頻聯(lián)系起來(lái)的飛秒光梳技術(shù)，為更精確的頻率機(jī)構(gòu)一光鐘的誕生鋪平了道路。3展望飛秒激光微加工還處于起步階段，該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用還需解決一系列的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：（1＞目前沒(méi)有形成一套完整的理論來(lái)解釋：在超快、超短、超強(qiáng)的極端條件下，激光與物質(zhì)相互作用的物理本質(zhì)；（2＞加大力度投資生產(chǎn)飛秒激光器、微加工系統(tǒng)，將其體積進(jìn)一步小型化；改善其微加工的工作環(huán)境，延長(zhǎng)其壽命等；（3＞針對(duì)飛秒激光微加工的特性以及被加工材料的屬性，開(kāi)發(fā)模型設(shè)計(jì)的軟件，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行模擬和仿真，實(shí)現(xiàn)最佳參數(shù)加工