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《飛秒激光在微加工中的應(yīng)用分析》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、能量的輸出方式局限在納秒的時間范圍內(nèi)。在這一階段，激光加工的主要材料是金屬，加工過程包括：打孔、切割、焊接、淬火和雕刻等多種形式，激光加工的原理是基于材料中的電子通過對光子共振線性吸收獲得的熱能，將材料逐步熔化、蒸發(fā)去除，因此本質(zhì)上依賴于材料的熱學(xué)特性，屬于熱熔性過程和“粗”加工方式。在這一技術(shù)中，由于激光脈沖持續(xù)時間較長，遠大于材料的熱擴散時間，造成吸收的光束能量不可避免地擴散到周圍的區(qū)域，對于材料的微加工來說，這一條件絕非理想。激光加工發(fā)展至20世紀80年代，開始出現(xiàn)紫外波段輸出的準分子激光系列，利用它的短波長特性實現(xiàn)對聚合物、瓷器等非金屬
2、材料進行的打孔、光刻、表面處理等多種微細加工，并且在激光醫(yī)療等方面得到了一定程度的應(yīng)用。在這一技術(shù)中，材料通過線性吸收單個光子的能量就可以直接切斷其中的分子或原子結(jié)合鍵，在表面生成等離子體，因此實質(zhì)上屬于光化學(xué)反應(yīng)，而非熱熔化過程，其中的熱擴散影響較小。另外，由于波長很短，光束容易獲得聚焦，因此加工精度也得到了相應(yīng)的提高，但它仍受光學(xué)系統(tǒng)衍射極限的限制。事實上，紫外激光的微加工也存在著固有的局限性和缺點：一方面，由于紫外激光與物質(zhì)的作用根本上仍基于共振吸收的原理，使得加工處理的材料種類和范圍受到嚴格限制，例如對于多數(shù)光學(xué)玻璃和石英材料（主要成份
3、是SiO2），吸收帶能量大，相當(dāng)于133nm的吸收波長。紫外激光正好位于吸收帶的邊緣，幾乎是透明的，因此很難進行加工處理。另一方面，盡管在作用過程中沒有熱擴散現(xiàn)象，但單個光子的線性吸收足以使材料發(fā)生變化，因此這種穿透性實際上阻止了激光越過表面，深入材料內(nèi)部進行三維結(jié)構(gòu)修復(fù)和制作的可能性，使得紫外激光加工只能停留在材料表面一維和二維操作，具有較差的空間方位選擇能力。20世紀90年代初，隨著寬帶可調(diào)諧激光晶體和自鎖模技術(shù)的出現(xiàn)，飛秒激光技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展。以摻鈦藍寶石為代表的新一代飛秒激光器，輸出光脈沖的持續(xù)時間最短可至5fs，激光中心波長位
4、于近紅外波段（~800nm），特別是借助于啁啾脈沖放大技術(shù)，單個脈沖能量從幾個納焦耳就可以放大至幾百毫焦耳、甚至焦耳量級，912此時脈沖的峰值功率可達GW（10W）或TW（10W），再經(jīng)過聚焦后的功率密度為1518210~10W/cm，甚至更高。具有如此高峰值功率和極短持續(xù)時間的光脈沖與物質(zhì)相互作用時，能夠以極快的速度將其全部能量注入到很小的作用區(qū)域，瞬間內(nèi)高能量密度2沉積將使電子的吸收和運動方式發(fā)生變化，避免了激光線性吸收、能量轉(zhuǎn)移和擴散等的影響，從而在根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用的機制，使飛秒脈沖激光加工成為具有超高精度、超高空間分辨率和
5、超高廣泛性的非熱融“冷”處理過程，開創(chuàng)了激光加工的嶄新領(lǐng)域。1.3飛秒激光微加工進展自從飛秒激光開始用于材料加工以來，由于其獨特的加工優(yōu)勢很快得到人們廣泛[18]的關(guān)注。2003年，Rizvi.N.H總結(jié)了飛秒激光對金屬、玻璃、金剛石、各種聚合物、[19]瓷器等材料的微加工進展情況，從各方面證實了飛秒激光是一種理想的微加工光源。1.3.1透明材料2000年，Kawamura.K等人首次通過兩束紅外飛秒激光發(fā)生干涉，在各種透明材[20]料（如藍寶石單晶、SiO2玻璃等）上得到表面浮雕全息光柵。該方法是產(chǎn)生兩束飛秒激光然后經(jīng)過普通的聚焦透鏡，樣品置
6、于激光焦平面。Sudrie.L等人利用再生放大的鈦寶石飛秒激光在熔融SiO2內(nèi)寫入永久性雙折射結(jié)構(gòu)，得到線寬6~7μm周期為20μ[21]m的光柵。2003年，Venkatakrishnan.K等人采用啁啾脈沖放大的飛秒激光，通過兩[22]束平行的飛秒激光干涉在銅樣品表面得到周期為3.2μm的光柵。Ya.Cheng等人在[23]Foturan光敏玻璃內(nèi)得到光柵結(jié)構(gòu)，并研究了玻璃的后烘時間與折射率變化的關(guān)系。該研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)飛秒激光照射樣品后，顯微鏡觀察無可見的變化，氦氖激光經(jīng)過后也沒有衍射效應(yīng)出現(xiàn)，顯然此時玻璃的折射率變化可以忽略。但是當(dāng)樣品經(jīng)過后
7、烘，在顯微鏡下可以明顯觀察到顏色變化，而且隨著后烘時間的增長，光柵的顏色越深。另外，增加Foturan玻璃內(nèi)部摻雜銀離子的濃度也可以獲得更高的折射率變化量。光纖Bragg光柵具有有效的選頻特性，與光纖通信系統(tǒng)易于連接且耦合損耗小，[24]因此它在頻域中呈現(xiàn)出豐富的傳輸特性，并成為光纖器件的研究熱點。使用相位掩模技術(shù)與飛秒激光脈沖相結(jié)合可以寫入光纖Bragg光柵，但該方法潛在的問題是飛秒脈沖光譜展寬，脈沖能量擴散到很大面積。加拿大通訊研究中心的一個小組采用800nm鈦寶石飛脈激光脈沖與無零次相位板結(jié)合，在摻鍺通信光纖纖芯中寫入高質(zhì)量的反射3[25
8、]Bragg光柵。實驗中使用的相位掩模板是精確刻蝕的在800nm波長低量零次通過。采用飛秒激光獲得光纖Bragg光柵具有極高的折射率調(diào)制范圍，而且與通
