飞秒激光在激光微加工的应用

飞秒激光在激光微加工的应用
飞秒激光在激光微加工的应用飞秒激光在激光微加工的应用
飞秒激光在激光微加工的应用 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
加工精度可达0．7μm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。 孔加工在1mm厚的不锈钢薄片上，飞秒激光进行了具有深孔边缘清晰、表面干净等特点的纳米级深
孔加工(如图1a)；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1b)，孔径最小达
2.5μm，孔直径在2．5～10μm间可调，最小间距可达10μm，很容易实现10-50μm间距调整。 复杂的微结构加工①耐热玻璃上的水渠道结构(图2)，边缘质量较好。但结构的精确性、表面和底
端形态还有待改进；②光敏树脂里面制作的世界上最小的人造动物模型：10μm长，7μm高的公牛；③ScR500
树脂内制备的约10μm的微型金字塔和房子模型；④光刻胶上飞秒双光子聚合(Two- Photon
P01ymerization：TPP)的微型蜘蛛和恐龙模型(图3)等。
这些都为飞秒激光加工将在高密度内联接印刷电路板、MEMS制造、微纳米过滤技术中具有良好的工业应用
前景奠定了基础。 光通信领域
光通信的高速率、大容量和宽带宽的发展方向，要求光电器件的高度集成化。而集成化的前提是光电
器件的微型化。因此，光电器件的微型化是当前光通信领域研究的前沿和热点。近年来，相比传统的光电
技术，飞秒激光微加工技术将成为新一代光电器件的制造技术。国内外学者在光波导的制备技术等诸多方
面进行了有益的探索，取得了很大的进展。
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。美国学者用飞秒激光制备
的增益光波导长1 cm，可产生3 dB／cm的信号增益。大阪大学的Watanabe W等用85 fs、重复 频率l kHz、
单脉冲能量1．5 μJ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。
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：①不同几何形状排列，如六角阵列光栅；②

在光纤内部刻划，如Bragg(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。



准分子激光在激光微加工的应用
准分子激光在激光微加工的应用准分子激光在激光微加工的应用
准分子激光在激光微加工的应用 准分子激光
准分子激光准分子激光
准分子激光微细加粤已成势一种成熟的加工技誊，雇工业中有著广泛盼应用，如喷墨
打印机喷嘴耐 钻孔、传感器的生产和显示板的加工等。本寒描述了准分子激光
准分子激光准分子激光
准分子激光加工系统的
重要概念，给出了在微细加工领 域中己被开发出表的各种新方案。重点描述－了用于加工
复杂的、多层次三维微细结构的各种加工技术，并用 加工省来的结构实例说明了ｒ它锕盼
相关应用。额外，述给：出了用垂纳秒圈体纤雏激光器进行微细加工获得 鲮初涉结果；最
后叙述了席超短脉冲激光器进行激光微
激光微激光微
激光微细加这个快速增长的技术领域。
激光器广泛地应用于各种工业领域。如 汽车、航空航天业的切割、焊接和材料处理 等
加工。最近激光在
激光在激光在
激光在微细工程方面的应用
的应用的应用
的应用呈 增长趋势。在众多微细加工系统工艺技术 （ＭＳ
Ｔ）的开发中脉冲激光器起着主要作用。 例如用激光系统加工喷墨打印机的喷嘴能 提高生
产效率。在其他方面（如生物医学分 析“芯片”），利用激光微
激光微激光微
激光微细加工技术的独特 性能已开
发出许多全新的器件。 脉冲激光微
激光微激光微
激光微细加工具有如下优点： ·高质量 ·单步“干”加工处理 ·高
度灵活性 ·经济效益可观 激光微
激光微激光微
激光微细加工的
加工的加工的
加工的优越性在很大程度上 由应用来决定，同时也依赖
于激光器的选择 和采用的加工方法。激光微
激光微激光微
激光微细加工最吸引人 之处是它所具有的灵活性，能
快速加工出样 机并快速评价不同设计方案。此外还能用同 一激光加工设备在很短时间内完成多种不 同的加工工序，因此研制的周期比用传统加工技术要缩短很多。 许多不同类型的
脉冲激光器现已广泛 应用于微细加工试验。 由于准分子激光
准分子激光准分子激光
准分子激光器输出的光束是不均匀

，因此要采取某种形式的光束匀化处理以 产
生“平顶”能量分布光束。光束匀化处理是 很重要的，因为在样品各点处的烧蚀深度与 能量
密度相关。把一个掩模放置在能使光束 最佳匀化的平面处，用于限定光束的形状或 图样，
再用分辨率相当高的光学系统把通过 掩模的光束成像到样品上。掩模一般是用涂 覆铬的石
英或者金属板制作的。 通常情况下，激光束在掩模投影系统中 保持不动，而掩模和工件是
移动的，并按照精 确控制的运动方式穿过激光束。 准分
准分准分
准分子激光
子激光子激光
子激光器是发射紫外光的脉冲激光
光源。这种光源的带宽相当宽，通常输出尺寸 约为２５ｍｍ×１０ｍｍ的矩形光束。光束
的发散 角一般为１ｍｒａｄ～５ｍｒａｄ，并且在矩形光束的 两个方向上的发散度是不同
的。由于这种光 束的发散度和不均匀性相当大，事实上光束 的空问相干性相当差，所以准
准准
准
分子激光
分子激光分子激光
分子激光束的 直接聚焦通常是不受人们重视的。因此在大 多数应用中通常采用掩模投影技
术。
用准分子激光
准分子激光准分子激光
准分子激光器在陶瓷片上打的孔，在掩模投影系统中有些加工参数是可以进行调
整的，适当控制这些参数能对微细 加工的
加工的加工的
加工的结构产生不同的影响。这些可调加工 参数包括激
光波长、光学系统设计参数、工 件材料、激光能量密度和重复频率，但最重 要的参数是在
在在
在
激光
激光激光
激光照射期间掩模和工件的位置和运动参数，它能决定待加工的
加工的加工的
加工的微细结 这种基本加工技术
扩展了静止投影加工 技术的适用性，从而可在两次微细结构加工之间横向移动工件：打开
激光，采用静止掩 模和工件加工出一种微细结构；关闭激光，沿 ｘ或Ｙ方向横向移动工件；
再次打开激光，然后在工件的不同位置处加工出同样的结 构。重复这一加工过程，能在工
件较大面积 上排满这种加工结构。这种加工技术亦称为 构的类型。因此，对掩模和工件位
置的精确 控制，以及它们的运动与激光脉冲的精确同 步，对微细结构的加工制造是至关重
要的。
目前激光微
激光微激光微
激光微细加工多使用纳秒级或更长脉冲周期的激光器（Ｎｄ：ＹＡＧ或者ＣＯ：
激光 器），以及飞秒级脉冲周期激光器（掺钛蓝宝 石激光器）。前者的应用
的应用的应用
的应用已处于领先地位，
并 且早已相当成熟．而后者，即飞秒脉冲激光器 的使用正在逐渐显示其重要性。虽然评估
脉 冲周期＜几十纳秒

激光器的使用寿命的工 作还有待进一步展开，但其优越性已显著超
过飞秒级激光器。利用ＩＭＲＡ公司（ＡｎｎＡｒｂｏｒ Ｍｉｃｈｉｇａｎ 孔的加工质量
非常好。此外，几乎没有发现诸 如用准分子激光
准分子激光准分子激光
准分子激光器或Ｃ０：激光器切割金刚石时通常看到
的在切割边缘出现的石墨化现 象。平均切割速度为～Ｏ．２ｍｍ／ｓ。因为ＣＶＤ金刚石
能做成质量好、尺寸比较大的元件，故能满足广泛应用的需要。这些 应用包括光学元件（激
光光学元件、窗口和透 镜等）和用于ＭＥＭＳ产品的一些热控制器 件。用准分子激光
准分子激光准分子激光
准分子激光器进
行微细加工和表面校 平已获得很好的效果，而另外一些系统，如皮 瓦激光器可能会引起其
他方面应用的关注。 ＵＳＡ）研制的Ｑ开关纤维激光器样机研究激 光微细加工仍存在某些
问题。把这种激光器 叫做皮瓦（Ｐｉｃｏｗａｔｔ）激光器，波长为１０６４ｎｍ 线偏振
输出光束，光束质量因子Ｍ２＜１．２。这 光机电信息７／２００１ 万方数据 ＯＭＥ Ｉ
ＮＦＯＲＭＡＴｌ０Ｎ Ｎｏ，７。２００ｌ，再加 上它们尺寸小、效率高、运行费用低并
易于 使用，因此这种类型的激光器会在ＣＶＤ金刚 石加工方面特别有用。 用不锈钢样品
做了类似的加工试验，样品的厚度为５０ｍ一７５¨ｍ。样品放在移动速度为１０ｍｍ／ｓ
的平台上，打孔只需１２ｓ。在金刚石和不锈钢材料上打 孔所用激光器的脉冲重复频率均
为１０ｋＨｚ。 ４００ｍ ２００ｍ用７５０ｐｓ纤维激光器切割的ＣＶＤ金刚石样品 以
进一步研究这种类型激光器产生的各种 效果（如烧蚀率、光滑度、残片问题等）。



光信0802
邹博琼
20081182059