飞秒激光精密微纳加工的研究进展

飞秒激光由于其超快时间特性和超高峰值功率特性在精密微纳加工领域引起了人们广泛的重视.在与物质的相互作用中它能快速、准确地将能量作用在特定的区域内,从而可以获得极高的分辨率和加工精度.文章综述了飞秒激光精密微纳加工的最新研究进展,分别就飞秒激光烧蚀微加工和飞秒激光双光子聚合产生三维微纳结构进行了介绍,阐述了各自的物理机制.最后对飞秒激光微纳加工的研究前景做了初步探讨.     

熔融石英玻璃飞秒激光微纳加工研究

熔融石英玻璃因具有耐热性高、热膨胀系数低、绝缘性能好等优点,广泛应用于航空航天、微光学元件、军事等领域,并对其加工精度和表面质量提出了更高的要求。由于飞秒激光具有“冷加工”的特点,因此在熔融石英玻璃微纳加工方面展现出独特优势。采用波长为1030nm、重复频率为100kHz、脉宽为290fs的飞秒激光对熔融石英玻璃进行加工,确定了不同物镜下熔融石英玻璃的损伤阈值,研究了不同物镜下的激光功率、扫描速度、离焦量、扫描次数对加工线槽的影响,使用逐层叠加加工的方法在低功率下得到了高深宽比(4∶1)的线槽,并且提高加工线槽的宽度与深度的可控性,可以在较薄熔融石英玻璃(200μm)上进行微纳加工。     

飞秒激光湿法刻蚀微纳制造

飞秒激光微加工作为一种新型微纳制造技术,在复杂三维构型制作方面具有其独特的优势,但激光加工效率问题严重制约了飞秒激光微加工技术走向实际工程应用,提出一种飞秒激光湿法刻蚀微纳制造方法,以提高飞秒激光微加工的效率为突破口,通过调控激光与物质相互作用获得材料的目标靶向改性,进而结合化学湿法刻蚀实现硬质材料上的高效和高精度三维微加工,采用这一方法制作出的微透镜尺寸为80 m,球冠高6.7 m,表面粗糙度小于10 nm。利用这种方法,实现了不同结构与特性的高质量微透镜阵列的超精密制备,在石英内部也实现了螺旋微通道的复杂三维结构,螺旋通道直径为20 m,长径比超过100。     

飞秒激光湿法刻蚀微纳制造

飞秒激光微加工作为一种新型微纳制造技术,在复杂三维构型制作方面具有其独特的优势,但激光加工效率问题严重制约了飞秒激光微加工技术走向实际工程应用,提出一种飞秒激光湿法刻蚀微纳制造方法,以提高飞秒激光微加工的效率为突破口,通过调控激光与物质相互作用获得材料的目标靶向改性,进而结合化学湿法刻蚀实现硬质材料上的高效和高精度三维微加工,采用这一方法制作出的微透镜尺寸为80 μm,球冠高67 μm,表面粗糙度小于10 nm。利用这种方法,实现了不同结构与特性的高质量微透镜阵列的超精密制备,在石英内部也实现了螺旋微通道的复杂三维结构,螺旋通道直径为20 μm,长径比超过100。     

飞秒激光双光子加工的极限分辨力

 采用3维压电微移动台高速扫描方式控制曝光时间与高精密转台精确控制圆形渐变衰减片以控制曝光功率两种方法,曝光时间和曝光功率可分别精确控制至0.02 ms和7 pW。通过精确控制聚合阈值附近处的曝光时间和曝光功率,分别在玻璃基板上获得了35 nm和45 nm的聚合物纳米线条,分别为所使用激光波长的1/22和1/17。实验结果表明,当曝光时间或曝光功率在加工阈值附近时,曝光时间和功率的微量减少会使聚合线宽急剧下降。     

飞秒激光双光子加工的极限分辨力

采用3维压电微移动台高速扫描方式控制曝光时间与高精密转台精确控制圆形渐变衰减片以控制曝光功率两种方法,曝光时间和曝光功率可分别精确控制至0.02 ms和7 pW。通过精确控制聚合阈值附近处的曝光时间和曝光功率,分别在玻璃基板上获得了35 nm和45 nm的聚合物纳米线条,分别为所使用激光波长的1/22和1/17。实验结果表明,当曝光时间或曝光功率在加工阈值附近时,曝光时间和功率的微量减少会使聚合线宽急剧下降。     

4H-SiC压力敏感膜片的低损伤飞秒激光加工

采用飞秒激光加工4H-SiC压力敏感膜片,研究了飞秒激光深度方向步进间距、扫描路径方向、单脉冲能量、扫描线间距等参数对4H-SiC烧蚀形貌和烧蚀速率的影响。实验结果表明,飞秒激光加工4H-SiC样品表面孔洞的形成主要与激光诱导微沟槽的重叠有关,激光能量分布更均匀能够有效减少4H-SiC被烧蚀表面的激光诱导微沟槽的数量,增大激光扫描路径与激光偏振方向的夹角能够有效降低激光诱导微沟槽的重叠概率,从而抑制孔洞的形成。采用优化后的飞秒激光加工工艺参数,制备出直径为1 600μm、厚度为100μm的4H-SiC压力敏感膜片。所制备的4H-SiC压力敏感膜片表面无明显孔洞,边缘过烧蚀深度小于10μm,实现了4H-SiC压力敏感膜片的低损伤飞秒激光加工。     

飞秒激光加工蓝宝石超衍射纳米结构

蓝宝石具有超强硬度及耐腐蚀、耐高温、在紫外-红外波段具有良好的透光性等优点,在军工业以及医疗器械方面具有广泛的应用前景.然而这些优点又对蓝宝石的机械加工或化学腐蚀加工带来困难.飞秒激光脉冲具有热损伤小、加工分辨率高、材料选择广等特点,被广泛应用于固体材料改性和高精度三维微纳器件加工.本文提出了利用飞秒激光多光子吸收特性在蓝宝石表面实现超越光学衍射极限的精细加工.利用聚焦后的波长为343 nm的飞秒激光,配合高精密三维压电位移台,实现激光焦点和蓝宝石晶体的相对三维移动,在蓝宝石晶体衬底上进行精确扫描,得到了线宽约61 nm的纳米线,纳米线间的最小间距达到142 nm左右.利用等离子体模型解释了加工得到的纳米条纹的产生原因,研究了激光功率、扫描速度对加工分辨率的影响.最终本工作实现了超越光学衍射极限的加工精度,为实现利用飞秒激光对高硬度材料的微纳结构制备提供了参考.     

飞秒激光双光子微细加工技术及研究现状

飞秒激光双光子微细加工技术以其特有的高精度三维微加工优势,成为微型机械加工领域新的发展方向之一。介绍了飞秒激光双光子微细加工技术的原理和应用的现状。结合目前已有的微细加工技术,对双光子微细加工技术的特点加以评述。简要报道了利用飞秒激光双光子微细加工技术的一些研究进展。探讨了飞秒激光双光子微细加工技术今后的发展方向及其存在的基本问题。     

飞秒激光对氟化镁烧蚀机理研究

用扫描电镜(SEM)研究了氟化镁在800nm超短脉冲激光作用下的单枪表面烧蚀形貌.根据烧蚀斑面积与激光脉冲能量间的对数关系，测得烧蚀阈值与激光脉宽的关系曲线(55—750fs).计算了导带电子的双光子吸收，改进了多速率方程模型，很好地解释了实验结果. 关键词： 飞秒激光 氟化镁 烧蚀机理 双光子吸收     

聚焦激光束在微纳材料中的应用

低维微纳材料因其特有的小尺寸效应以及由此而来丰富的物理性质,预示着其在后摩尔时代的电子、光电器件中将发挥重要作用。由于微纳材料的小尺寸特性,通过运用传统技术,很难实现对微纳材料的精准操控,制约了微纳材料在微型化、集成化、多元化器件中的应用。文章回顾了聚集激光技术的发展历程,重点介绍如何通过聚焦激光束实现对微纳材料的精准操控、加工与改性,并对聚焦激光技术的研究前景进行展望。     

PMP泡沫的飞秒激光烧蚀及切割方法

对密度为90 mg/cm3的PMP泡沫材料的飞秒激光烧蚀结果进行了分析,推导出该材料在脉宽50 fs、波长800 nm、重复频率为1000 Hz的飞秒激光作用下的蚀除阈值为0.91 J/cm2（100个激光脉冲）,获得了烧蚀直径分别随激光功率、脉冲数及聚焦物镜数值孔径的变化规律。相同飞秒激光加工系统下,对比了铜箔上获得的烧蚀形状,确定了PMP泡沫材料本身的多孔洞及其分布不均匀是造成烧蚀区域的形状不规则的重要因素。PMP泡沫在较高能量或是较长时间的飞秒激光作用下,烧蚀区域发生碳化的原因是由热作用引发的。提出了一种基于激光束耦合的飞秒激光切割厚度大于1 mm的薄膜-泡沫材料的方法,并获得了切割厚度大于1.5 mm、切割侧壁与光束光轴夹角小于5、切割面整洁的薄片。     

6H-SiC的飞秒激光超衍射加工

利用飞秒激光直写微纳加工平台, 对6H-SiC材料进行了突破衍射极限的微纳结构加工研究. 使用中心波长和脉宽分别为800 nm和130 fs的钛蓝宝石激光器和荧光倒置显微镜搭建了飞秒激光直写微纳加工平台, 研究了在不同的实验条件下对6H-SiC的光学加工情况, 采用扫描电子显微镜对加工结构进行表征. 通过分析不同的激光功率和不同的曝光时间等实验条件下加工的分辨率, 发现分辨率随着激光功率的减小而提高, 随扫描速度的增大而提高, 且能突破光学衍射极限. 最终获得125 nm的加工线宽, 并加工了加工线宽240 nm, 周期1.0 μm的线阵列. 研究结果为微机电系统(MEMS)的微器件设计开创了新的思路, 对发展MEMS器件具有重要意义. 关键词： 飞秒激光直写 超衍射加工 6H-SiC 微机电系统     

金纳米棒的飞秒激光组装研究

金属纳米粒子对于研究表面等离子体共振具有非常重要的意义,其自组装形成的功能组装体能够展现出更加优异的整体协同性能.本文通过飞秒激光加工对金纳米棒直接进行组装,不引入其它的修饰剂,过程简单、快速(约1 min),不仅保留了金纳米棒表面等离子特性,且可以实现金纳米棒的任意精细图案化.将组装的微纳结构用于微流控芯片表面增强拉曼散射探测,可以得到很好的增强效果,为等离子体器件的制备提供了新的方法.     

飞秒激光相干场诱导材料功能微结构

飞秒激光在整个脉冲宽度内具有极好的相干性，因而当从同一光束分出的两束或两束以上的光束时间与空间上实现相互叠加时将会形成强度周期性调制的电磁场．这种周期调制的电磁场与材料产生相互作用，能诱导出相应的周期微结构．最近通过两束或两束以上飞秒激光干涉诱导功能微结构得到了广泛研究．文章综合了国内外飞秒激光研究小组在干涉诱导微结构方面的一些最新成果以及作者在这方面开展的工作，对飞秒激光干涉技术的原理及其在诱导微结构方面的应用进行了介绍．     

Femtosecond lasers in biology: nanoscale surgery with ultrafast optics

Femtosecond lasers are emerging as a powerful tool in basic biological research. The high peak light intensity generated by a tightly focused, ultrashort, pulse of infrared laser light enables versatile submicron ablation deep within biological samples. Recent studies have begun to exploit these capabilities to conduct meticulous laser surgery experiments within single cells, as well as within intact organisms. This review will discuss the basic physical mechanisms behind femtosecond laser ablation in biological samples. It will then examine a series of prominent applications in biology and how they are opening new possibilities in a range of research fields. The interface between physics and biology has been exceptionally fruitful over recent years and femtosecond laser ablation is proving to be another prime example of this.