飞秒激光超微细加工技术简介

飞秒激光超微细加工技术简介
摘要：本文首先简单地介绍了飞秒激光和超微细加工技术飞秒激光加工技术的技术背景，然后较为详细地介绍了飞秒激光超微细加
工技术及其特点与应用，结合飞秒激光超微细加工技术的特点
将其与其它的微机械加工技术进行了比较，最后分析飞秒激光
超微细加工技术的发展趋势和应用前景。

关键词：飞秒激光超微细加工技术飞秒激光超微细加工
Femtosecond laser micro machining technology Introduction
Abstract: This paper first briefly describes the technical background of the femtosecond laser and micro machining technology and
femtosecond laser micro machining technology, then a more
detailed description the femtosecond laser micro machining
technology and its features and applications, combined with
the femtosecond laser micro machining technology will be
characterized by with other micro-machining technology, the
final analysis of the femtosecond laser micro machining
technology trends and application prospects.
Keywords:femtosecond laser micro machining technology femtosecond laser ultra-fine processing
0引言
激光（Laser,即Light Amplification by stimulated Emission of Radiation的缩写），意思是利用辐射受激得到的加强光，激光加工（Laser Beam Machining）就是把激光的方向性好和输出功率高的特性应用到材料的加工领域中去。

【1】用聚焦的方法，把激光束汇聚在面积很小的一个区域，从而在该区域提供足够的热量使该区域的材料荣华或者气化从而达到机械加工的目的，显然激光加工是一种非接触式的加工，可以用于各种材料的微细加工。

知道了什么是激光加工，那么飞秒激光超微细加工和普通的激光加工又有什么区别呢？
1飞秒激光超微细加工技术
1.1飞秒激光及其特点 要想弄清楚什么是飞秒激光超微细加工技术，首先必须知道什么是飞秒激光以及飞秒激光和一般的激光的区别。

飞秒（femtosecond ）简称fs ，是标衡时间长短的一种计量单位，飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的激光，飞秒激光在瞬间发出的巨大功率比全世界发电总功率还大。

二十世纪八十年代以来随着宽带可调谐激光晶体、自锁模技术的发展以及啁啾脉冲放大技术的出现，超短脉冲激光技术得到了很大的发展，通过调Q 和锁模等新技术并利用宽增益带宽的染料激光器的锁模振荡，使激光脉冲的宽度窄至飞秒
（1510s ）量级，峰值功率高达太瓦(TW ，即1210W )甚至拍瓦(PW,即
1510W )。

【2】可见，飞秒激光是在激光技术以及电子技术尤其是调频技术的不断发展的背景下出现的一种脉冲极短的激光。

飞秒激光的主要特点简述如下：
1、超短脉冲，飞秒激光是我们人类目前在实验条件下能够获得的最短脉冲。

2、瞬时高功率，飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的瞬间功率可达百万亿瓦，比目前全世界的发电总功率还要多出上百倍。

3、精确定位性，飞秒激光具有精确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦到比头发的直径还要小的多的超细微空间区域。

从上述3点飞秒激光的主要特点中可以看出，飞秒激光在微细加工甚至是超微细加工的领域中有着极为有价值的应用前景。

1.2微细/超微细加工技术
微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技术。

从广义的角度来讲，微细加工包括各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的方法，如切削技术，磨料加工技术，电火花加工，电解加工，化学加工，超声波加工，微波加工，等离子体加工，外延生产，激光加工，电子束加工，粒子束加工，光刻加工，电铸加工等。

从狭义的角度来讲，微细加工主要是指半导体集成电路制造技术，因为微细加工和超微细加工是在半导体集成电路制造技术的基础上发展的，特别是大规模集成电路和计算机技术的技术基础，是信息时代微电子
时代，光电子时代的关键技术之一。

【3】
微细/超微细加工与传统加工的主要区别表现在以下几个方面： 1、精度的表示方法
在微小尺寸加工时，由于加工尺寸很小，精度就必须用尺寸的绝对值来表示，即用取出的一块材料的大小来表示，从而引入加工单位尺寸的概念。

2、微观机理
以切削加工为例，从工件的角度来讲，一般加工和微细加工的最大区别是切屑的大小。

一般为金属材料是由微细的晶粒组成，晶粒直径为数微米到数百微米。

一般加工时,吃刀量较大，可以忽略晶粒的大小，而作为一个连续体来看待，因此可见一般加工和微细加工的机理是不同的。

3、加工特征
微细加工和超微细加工以分离或结合原子、分子为加工对象，以电子束、技工束、粒子束为加工基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行各种处理。

微型机械加工技术，主要是为机械装置的微细加工技术。

由于微型机械属于高科技领域，因此涉及到很多技术。

微型机械已经远远超出了传统机械范畴，传统机械微型之“微”，就代表着其系统的尺寸已经达到了肉眼看不见的境界，单位也由传统的计量单位变成了微米、纳米级。

1.3飞秒激光超微细加工技术
飞秒激光超微细加工技术是飞秒激光与先进的制造技术紧密相结合的产物。

飞秒激光超微细加工是当今世界激光、光电子行业中的一个极为引人注目的前沿研究方向。

用激光超短脉冲进行材料处理（或加工）不仅可以改进现有激光材料微加工的不足之处，而且还可以完成传统激光加工无法做到的事情。

飞秒激光能够具备极高的三维光子密度，对种材料实现逐层、微量加工；飞秒激光加工的热影响区域(Heat affected zone)极小，并且不存在长脉冲激光或连续激光加工中的等离子体屏蔽效应，这就使得其能量利用效率和加工精度都非常之高。

当用飞秒激光加工透明介质材料时，加工过程不受材料本身的线性吸收系数的影响，同时，对材料表面或内部的缺陷不敏感。

此外，从光和物质相互作用的角度来看，飞秒激光加工涉及的主要是多光子
电离的过程，在机理上不同于传统激光加工。

因此，飞秒激光进行微加工有固定的加工阈值，加工和不加工有着明显的区分，因此加工过程重复性好。

可以预计飞秒激光超微细加工技术在微电子、生物芯片和新型材料等科学技术领域中都将有广泛应用。

飞秒激光超微细加工中的“加工”二字具有广义性。

它可以是对物质在原子、分子水平上的操纵(manipulation)，或者是对物质在微小区域内某些重要属性的改变与处理(processing)，而并非只是通常人们所理解的“机械加工”。

飞秒激光超微细加工不仅具有通常基础应用研究的特征，而且涉及到激光物理、原子分子物理、激光束光学、材料科学、热动力学、等离子体物理、流体气体力学等广泛知识，属于跨学科的研究。

飞秒激光超微细加工往往是在极小的空间、极短的时间和极端的物理条件下对物质进行加工的。

可以说，“超微”与“超快”的组合是飞秒激光超微细加工的独特之处。

一定强度的飞秒激光可以用于对任何材料的精细加工，从金刚石到生物透析膜，从烈性炸药到MEMS器件等都有实验结果报道。

【4】
飞秒激光超微细加工技术是其他激光技术无法相提并论的。

飞秒激光不仅可以加工材料，还可以做更前沿、更尖端的技术，其加工的精密度和利用率都非常高。

在未来的岁月里，飞秒激光超微细加工会有更大的作为和成绩。

2飞秒激光超微细加工技术特点、应用
2.1飞秒激光超微细加工技术的特点
由上述可知，飞秒激光超微细加工技术是把飞秒激光技术与先进制造技术尤其是微细加工技术相结合的产物，由1.1中飞秒激光的特点，可以总结出飞秒激光超微细加工技术具有以下特点【5】：
1、高加工技术分辨率，飞秒激光可以激发材料的双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,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(该区域体积的数量级为护,入为入射激光的波长)虽然飞秒激光本身并不能突破衍射极限的限制,但是因为加工时是借助于双光子多光子激发,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
限的限制这大大提高了该加工技术的分辨率。

2、热影响非常小，由于飞秒激光脉冲短,在加工时与物质作用时间也短在飞秒级的作用时间内,能量转移仅需考虑电子受激的吸收,井没有热能存储和扩散加工时,激光在很短的时间里使电子温度升到极高,而周围的材料还未被传递热量,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。

其加工区域可以被精确地控制在激光焦点处,加T-边缘整齐精确,极大地提高了加工精度。

3、应用范围广泛，同时它可以在多种材料：包括金属、透明材料、高分子材料、生物组织、甚至爆炸性材料上进行加工,使它具有广泛的应用范围。

由于飞秒激光的这些优良特性,以及固体飞秒激光器的小型化和实用化,人们己经开始将其应用到微系统的加工中。

上述三个飞秒激光超微细加工的特点都是从飞秒激光的特性得出的，即正是由于飞秒激光的特性飞秒激光超微细加工才具有上述的特点。

正是这些特点，才使飞秒激光超微细加工技术得到科学界的广泛重视与研究。

2.2飞秒激光超微细加工技术的应用
由上述可知飞秒激光超微细加工技术的应用范围是极为广泛的，下面具体分析其应用。

1、单点扫描式加工
诱导光敏材料聚合:将激光聚焦在液态树脂内,树脂会通过多光子能量吸收过程产生固化。

利用此类加工方法加工出了一些三维微光学器件。

如美国加州理工大学的CumPstom等人,1999年在Nature上发表了在树脂上利用飞秒激光双光子三维加工进行的光子晶体的研究结果。

【6】
2、并行式加工
刊川光束相千形成的干涉条纹进行加工,可以得到具有周期性结构的微光学器件。

2000年,日本科技株式会社的K.Kawamura等人通过两束红外飞秒激光发生干涉,在多种透明的电介质材料得到表面浮雕全息光栅。

【7】
由于只有在焦点处,激光强度才足以诱导光敏材料聚合或者诱导介质的折射率变化,因此飞秒激光的加工分辨率可达到微米至业微米量级,并且对加工区域以外部分影响极小,所以加工精度很高。

2.3飞秒激光超微细加工与其它微细加工技术的比较
飞秒激光具有极窄的脉冲宽度，较低的脉冲能量就可以达到非常高的功率密度，多光子效应的存在，使得其加工机理不同于以往的长脉冲激光加工。

采用飞秒激光加工材料与其它微细加工技术相比较具有如下优势：
1、加工孔径的熔融区很小或没有。

飞秒激光的持续时间远远小于晶格热传导时间，在其与物质相互作用时，其能量吸收严格限制在极小范围内，并在极短时间内使电子温度达到极高，使物质从固态变为等离子态，迅速以喷射形态脱离加工体，其周围的物质仍然处于“冷状态”。

因此，与长脉冲比较，飞秒激光加工的边缘极其整齐和精确，并能克服热效应所带来的一切弊端。

【8】
2、可以实现多种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至生物组织等的微机械加工、雕刻。

3、加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等。

一般激光加工，其横向尺寸大于激光波长，这是由于衍射规律的限制。

虽然飞秒激光也受衍射规律的限制，其焦斑尺寸不可能小于半个波长。

但由于其峰值功率极高，和物质相互作用时不是单光子过程，而是多光子过程。

这样，具有高斯横向分布的飞秒激光光束和物质相互作用时不是在整个焦斑范围内，而是远远小于光斑，因此加工尺度可达1/20 波长，即数十纳米。

【9】
正是由于飞秒激光加工技术与其它微细加工技术相比较有上述的特点，才使得其应用范围十分广泛，并且得到了广泛而深入的研究，而且发展十分迅速。

3飞秒激光超微细加工技术的发展趋势
随着微机电系统领域对微型制件需求量的不断增长和质量要求
的不断提高，微细加工技术也在不断发展和完善，以满足微型制件的要求。

传统的微细加工方法加工三维微小模具型腔，虽然工艺简单实用，而且不需要太大的投资，但其加工型腔尺寸太大，精度太低；为了适应微制品零件更多的要求，飞秒激光超微细加工技术以其高加工技术分辨率、非常小的热影响、广泛的应用范围正受到人们的广泛重视和深入研究。

其发展趋势是如何更好的将飞秒激光技术和超微细加工技术结合起来以及如何快速廉价的获得飞秒激光及其加工装备，上述这些正是飞秒激光超微细加工技术得到广泛应用的前提。

参考文献
【1】张辽远.现代加工技术（第二版）【M】.北京：机械工业出版社，2008
【2】冉玲苓，飞秒激光制备微结构及在粒子操控中的应用研究，博士学位论文，哈尔滨工业大学，2010.6
【3】苑伟政，李晓萱. 微机械及微细加工技术【J】.机械科学与技术，1997.03
【4】张伟智，周波，孟丽萍. 微型机械加工技术、应用途径和发展方向的研究.【J】，技术研发
【5】倪晓昌，飞秒激光微精加工理论与实验研究，博士学位论文，天津大学，2003.12
【6】龚小竞，飞秒激光加工微光学器件若干关键问题研究，博士学位论文，中国科学技术大学，2007.4
【7】龚小竞，飞秒激光加工微光学器件若干关键问题研究，博士学位论文，中国科学技术大学，2007.4
【8】倪晓昌，飞秒激光微精加工理论与实验研究，博士学位论文，天津大学，2003.12 【9】倪晓昌，飞秒激光微精加工理论与实验研究，博士学位论文，天津大学，2003.12。