浅析超短脉冲激光微纳加工技术

1 前言

随着激光技术的发展，激光器件向着超短脉冲、超高强度、超短波长的方向迈进，这给激光材料加工带来了革命性的进步。近年来超短脉冲激光精密加工越来越得到人们的关注。这主要体现在超短脉冲激光加工可以得到高于长脉冲激光加工的精度，最高可以达到亚微米甚至纳米。另外超短脉冲激光除了可以进行材料表面的加工，还能够实现对透明材料内部的加工与改性。适用于其他加工方法无法实现的高精度、复杂形状元器件的加工，实现真三维、可设计、可集成。超短脉冲激光的瞬间功率极大，可以和几乎任何材料相互作用，因而可用于激光加工的材料几乎不受限制。对于超硬、易碎、高熔点、易爆等材料的加工，更具有其他方法无法匹敌的优势。

这里的超短脉冲激光微细加工技术指的是利用超短脉冲激光(脉冲宽度在皮秒至飞秒量级，10-12~10-15s) 对材料的显微加工、精密裁切以及微观改性。这里的3个术语定义如下：显微加工指的是对样品材料的精密去除；精密裁切指的是用激光将样品材料裁切成微纳尺度的特征形状；微观改性指的是利用激光改变样品材料特定微观区域的物理化学性能。这3个术语既相互独立又紧密相连，有时在微观改性的同时也伴随着样品材料的精密去除，而显微加工是精密裁切的基础。我们把上述术语统称为超短脉冲激光微纳加工。

2 超短脉冲激光微纳加工分类

从材料的性能变化来说，超短脉冲激光微纳加工可以分为表面形貌、折射率、离子价态、相态、缺陷态、晶态、化学键以及能带结构等的修饰与调控。在超短脉冲激光加工过程中，有时是单一的性能修饰，有时是多项性能的修饰同时发生。现举例说明。

图1为超短脉冲激光诱导的6种材料性能转变。(a)为在金属表面形成的亚波长周期结构。其周期从入射激光波长尺度到入射波长的1/10，为制备纳米尺度周期结构提供了一种全新的途径。(b)为波导结构。超短脉冲激光可以在透明材料内部诱导折射率改变，写入二维、三维的波导结构及器件，如分束器、衍射光栅、阵列波导光栅、波导激光器等。(c)为在晶体内部诱导的缺陷结构，即色心。在诸如半导体、发光、信息存储、色心激光等技术领域有着广泛的应用。(d)为离子价态变化。在金属离子或稀土离子掺杂的玻璃内部，使得掺杂离子的价态发生改变，诱导出具有特殊功能的复合材料，实现特定的线性、非线性光学性能。(e)为晶态变化。超短脉冲激光辐照非晶态的玻璃材料可以在辐照区域析出晶体相，或者超短脉冲激光辐照晶体材料，在激光辐照区域可以从一种晶态向另一种晶态转化，为制备不同晶态的集成器件提供了新途径。(f)为半导体带隙变化。通过超短脉冲激光半导体硅，改变其能带结构。经处理的硅具有吸收光谱宽以及光谱响应速度快的特点，在太阳能电池以及光电探测器方面具有极大的应用前景。

3 超短脉冲激光微纳加工应用领域

最近，中央“十二五”规划提出了加快培育和发展战略性新兴产业的建议，大力发展节能环保、新兴信息产业、生物产业、新能源、新能源汽车、高端装备制造业和新材料七大战略性新兴产业。这为激光先进制造技术提供了前所未有的发展机遇。在这七大战略性新兴产业中，超短脉冲激光微纳加工都能发挥用武之地而且是某些环节的必须技术。

目前，超短脉冲激光微纳加工主要应用在如图2所示的领域。这里列举几个应用实例：(1) 太阳能电池(包括晶硅以及薄膜电池)的钻孔、刻线、划槽以及表面纹理化，通过超短脉冲激光埋栅刻槽及掺杂处理后，电池的光电转换效率有望得到2%左右的提高；(2) 计算机、手机、电视等CSTN、TP、LCD液晶显示模块中超薄玻璃基板的划线分割。传统方法采用金刚石

切割，成品率低，刀具寿命短。超短脉冲激光的非接触非热加工模式则可以克服上述缺点，是取代传统金刚石切割，进行产业更新换代的理想技术；(3) 医疗行业。目前常用于制作血管支架的材料有金属钽、医用不锈钢及镍钛合金等。金属支架在进入临床治疗后取得了令人瞩目的疗效，但近年也逐渐暴露出一些不足和弊病，如易致血栓形成，再狭窄率高，造成血管壁损伤以及永久保留体内等。针对以上不足，可降解生物材料的血管支架成为研究的热点，对可降解材料的加工是决定该类支架材料应用的关键问题。为了保证加工后的材料性能不变，对加工技术提出了更高的要求。超短脉冲激光微纳加工可降解生物材料具有独到的优势；

(4) 精密机械、医疗、光学元器件加工。适用于一些机械加工方法无法实现的高精度、复杂形状元器件的加工，如发动机喷嘴、打拿极、太赫兹光源偏振片等；(5) 透明材料内部的微纳改性。对玻璃、晶体、高分子材料内部实现微纳改性，赋予改性区域新的性能。适用于制备波导类光子学微器件、三维立体显示、三维工艺品等；(6) 微电子学。薄膜的局部沉积及去除，即激光修整、激光光刻、激光微机械加工，以及局部掺杂等。图3进一步诠释了图2中超短脉冲激光的应用领域。

4 超短脉冲激光微纳加工市场展望

相对于传统的激光打标、激光焊接、激光切割等，超短脉冲激光精密微细加工还属于新兴的市场。对超短脉冲激光技术未来的市场，美国Raydiance公司总裁Scott Davison先生预测在10年内，超短脉冲激光技术将拥有超过1000亿美元的市场，其中医学和生命科学占50％、材料开发和制造行业占25%，其他占25%。也就是说在材料加工、制造行业，未来10内超短脉冲激光技术在全球将会有超过250亿美元的市场，平均每年有超过25亿美元的市场。

国内外从事超短脉冲激光器件制造以及超短脉冲激光微纳加工技术的公司如雨后春笋般建

立，纷纷抢占超短脉冲激光微纳加工领域这一新兴市场。国外开始研发生产超短脉冲激光器件的公司有德国的Amphos、Activefiber、Jenoptik、Lumera 、Trumpf，瑞士的OneFive、Time-Bandwidth，美国的Clark-MXR、Calmar、IMRA、Polaronyx、Raydiance，法国的Amplitude，英国的Fianium，奥地利的High Q以及立陶宛的Ekspla等。当前，开发具有自主品牌的超短脉冲皮秒及飞秒激光器件以及系统集成器件刻不容缓，这是我国在这一领域占有一席之地的关键。国内苏州德龙激光有限公司、无锡荣兴科技有限公司、昆山思拓机器有限公司、北京国科世纪激光技术有限公司已经开展从激光器件到系统集成的工作并取得了很好的市场效益。武汉、深圳一些从事激光宏观加工的公司也开始将关注点转入了超短脉冲激光微纳加工，通过引进消化国外设备、技术等开发了系列超短脉冲激光加工设备。国内的一些高校及科研院所在超短脉冲激光器件以及加工工艺方面也有较好的积累。

随着超短脉冲激光器件趋向更为成熟的工业应用，超短脉冲激光微纳加工技术将开拓更为广阔的应用领域，成为诸多行业不可或缺的利器，为科技造福社会创造更为美好的明天。