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第 8 章 飛秒雷射加工技術. 8.1 概 述 8.2 飛秒雷射微加工機制 8.3 飛秒雷射加工特點 8.4 飛秒雷射加工應用 8.5 飛秒雷射微奈加工系統 8.6 飛秒雷射加工研究及進展. 8.1 概 述. 飛秒雷射是一種以脈衝形式運轉的雷射，持續時間非常短。超快是飛秒雷射的第一個特點。飛秒雷射的第二個特點是具有非常高的瞬時功率，可達到百萬億瓦，飛秒雷射的第三個特點是超強，當把飛秒雷射聚焦時，所產生的電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高數倍。.
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第 8 章飛秒雷射加工技術 8.1 概 述 8.2 飛秒雷射微加工機制 8.3 飛秒雷射加工特點 8.4 飛秒雷射加工應用 8.5 飛秒雷射微奈加工系統 8.6 飛秒雷射加工研究及進展
8.1 概 述 • 飛秒雷射是一種以脈衝形式運轉的雷射，持續時間非常短。超快是飛秒雷射的第一個特點。飛秒雷射的第二個特點是具有非常高的瞬時功率，可達到百萬億瓦，飛秒雷射的第三個特點是超強，當把飛秒雷射聚焦時，所產生的電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高數倍。
飛秒雷射的一個重要的應用就是微精細加工。通常，依雷射脈衝標準來講，持續時間大於10ps（相當於熱傳導時間）的雷射脈衝屬於長脈衝，用它來加工材料，由於熱效應使周圍材料發生變化，而影響加工精度。脈衝寬度只有幾千萬億分之一秒的飛秒超短雷射脈衝的微奈加工，往往是在極短的時間、極小的空間和極端的物理條件下，對物質進行加工的。不僅可以改進現有雷射材料微加工的不足之處，還可以完成傳統雷射加工無法實現的工作。飛秒雷射的一個重要的應用就是微精細加工。通常，依雷射脈衝標準來講，持續時間大於10ps（相當於熱傳導時間）的雷射脈衝屬於長脈衝，用它來加工材料，由於熱效應使周圍材料發生變化，而影響加工精度。脈衝寬度只有幾千萬億分之一秒的飛秒超短雷射脈衝的微奈加工，往往是在極短的時間、極小的空間和極端的物理條件下，對物質進行加工的。不僅可以改進現有雷射材料微加工的不足之處，還可以完成傳統雷射加工無法實現的工作。
8.2 飛秒雷射微加工機制 • 8.2.1 飛秒雷射微加工的多光子吸收 • 當激發態的電離能大於1個光子的能量時，如果照射到物質上的雷射光強度足夠大，就會產生同時吸收多個光子的現象。多光子的吸收率非常大，若將遷移所必須吸收的光子數設為n，則光子吸收率A與光強度I的n次方成正比，即
飛秒雷射脈衝寬度極短，聚焦後可在較低的脈衝能量下，獲得極高的峰值功率密度，尤其是焦點中心處的峰值功率密度更高，在1020W/cm2以上，該光電場強度比原子內部庫侖電場（1018～1021W/cm2）還要高。因此飛秒雷射與物質的作用，伴隨著強烈的非線性效應，物質對光的吸收過程，也是非線性的多光子吸收過程。飛秒雷射脈衝寬度極短，聚焦後可在較低的脈衝能量下，獲得極高的峰值功率密度，尤其是焦點中心處的峰值功率密度更高，在1020W/cm2以上，該光電場強度比原子內部庫侖電場（1018～1021W/cm2）還要高。因此飛秒雷射與物質的作用，伴隨著強烈的非線性效應，物質對光的吸收過程，也是非線性的多光子吸收過程。
8.2.2 多光子吸收的閾值 • 對具有極高電場強度的超短脈衝而言，材料一旦發生這種多光子吸收，將直接電離產生自由電子作為種子電子，這些種子電子密度會非常高，並能進一步吸收光子產生更多的自由電子。這些種子電子並不依賴於介質，且不呈現大的統計波動。因此，飛秒雷射脈衝的多光子吸收閾值（或稱為損傷閾值、擊穿閾值）變得很精確。也就是說，飛秒雷射進行微加工有固定和精確的加工閾值，加工和不加工有著明顯的區分，加工過程重現性好、精密度高。飛秒脈衝的微加工可以達到微米和次微米精度。
8.2.3 飛秒雷射微加工的實現原理 • 飛秒雷射的鐘形光能量分佈（如基模），使光斑 （與同量級）內的光強度分佈存在較大的梯度，這樣焦點光斑內的光強度I(x，t)是位置x的函數。光斑中心區域( )的光強度極高，超過多光子吸收閾值；而光斑其他部份的光強度相對較低，小於擊穿閾值。對超短脈衝而言，每個脈衝總的雷射能量有限，且只有超過多光子吸收閾值的聚焦光斑的小部份中心區域的物質會大量吸收雷射能量，並被加熱到熔化或汽化溫度，因此加工變得很精確。
圖8.1 飛秒雷射焦斑的光強度分佈和多光子吸收區域示意圖8.1 飛秒雷射焦斑的光強度分佈和多光子吸收區域示意
8.2.4 飛秒雷射表面加工機制 • 飛秒雷射脈衝寬度極短，聚焦到材料表面後，焦點處的光電場強度比原子內部庫侖電場還要高，由於作用時間極短且光電場強度極高，通過多光子吸收，導致雷射聚焦光斑的小部份中心區域的物質會迅速被加熱到汽化溫度，由於能量還沒來得及擴散，材料已經被加熱到極高的溫度，直接以氣相蒸發。材料以氣相蒸發的同時帶走大部份熱量，這樣在材料內形成很大的溫度梯度，因此，熱擴散對焦點周圍影響很小，使材料去除變得很精確。這樣就克服了困擾長脈衝雷射加工過程中，熱擴散帶來的材料熔化變形現象，而飛秒雷射可實現高精密加工（或微加工）。
8.2.5 透明材料內部微加工機制 • 在透明材料中，束縛電子的電離能比雷射光子能量高，物質不能線性地吸收可見與近紅外雷射。 • 當通過聚焦飛秒雷射到透明材料內部，使聚焦焦點處的光電場強度超過多光子吸收閾值時，由於多光子吸收導致雷射聚焦光斑的小部份中心區域的透明介質，首先變成能大量吸收光能量的電漿，而使這一小部份物質加熱膨脹，但周圍材料限制其膨脹。 • 就會導致其物理介質發生不可逆的損傷，如折射率的增大。這種特性的變化可以歸因於局部熔化、色心的形成或紫外線增濃等模擬機制。
8.2.6雙光子聚合機制 • 雙光子聚合就是單體（或低聚物）的小分子有機物，在高功率密度的飛秒雷射照射下，發生雙光子聚合反應，生成大分子的聚合物（圖8.2）。
因為雙光子聚合的閾值很精確，若飛秒雷射的強度，在橫截面內的分佈是鐘形的，如果將雷射能量調節在只有光斑中心處的功率密度剛剛超過雙光子吸收的閾值（位於ΔXm以內的光），這樣只有大於閾值的焦點中心的一小部份發生雙光子聚合反應，並產生固化。所以雙光子聚合可以獲得小於焦斑直徑（ΔXd）的結構，最小可達到120nm的特徵尺寸。因為雙光子聚合的閾值很精確，若飛秒雷射的強度，在橫截面內的分佈是鐘形的，如果將雷射能量調節在只有光斑中心處的功率密度剛剛超過雙光子吸收的閾值（位於ΔXm以內的光），這樣只有大於閾值的焦點中心的一小部份發生雙光子聚合反應，並產生固化。所以雙光子聚合可以獲得小於焦斑直徑（ΔXd）的結構，最小可達到120nm的特徵尺寸。
8.3 飛秒雷射加工特點 • 飛秒雷射的高速能量局部注入，迴避了電漿屏蔽效應和熱擴散損失。有用光的轉換效率極高，這主要是由於多光子吸收率大（正比於In），沒有熔融區，沒有重鑄層，不產生微裂紋，不產生導致結構損壞的衝擊波，不損壞臨近結構組織。
8.3.1 電漿屏蔽的迴避 • 飛秒雷射脈衝在電漿膨脹前，已全部注入到了固體表面。雷射電漿從表面向外側膨脹時的膨脹速度約為104m/s量級，若使用100fs以下超短脈衝雷射加工，很明顯在電漿膨脹前，雷射照射就終止了，迴避了電漿屏蔽。
8.3.2 熱擴散損失的迴避 • 雷射脈衝可以在極短的時間內向加工區注入能量。因此照射到材料中的能量在熱擴散前，雷射脈衝就已終止，所以能量沒有在照射區域外的熱擴散損失，可以得到高效加工。
8.4 飛秒雷射加工應用 • 8.4.1 飛秒雷射的材料去除加工 • 飛秒雷射加工很精細，其熱影響區非常小，沒有熔化及再凝固痕跡，呈現銳利的加工邊緣，且加工精度很高。與此相比，長脈衝雷射燒蝕閾值高且存在很強的熱擴散，熱量將從照射區擴散到很大的區域，在雷射輻照區及周圍的大範圍內發生熔化和飛濺現象，材料的表面和加工區周圍會形成重鑄熔融相的突起物，使得加工區邊緣不清晰，為再凝固材料所包圍，故加工精度低。
圖8.3 長脈衝雷射和飛秒雷射的金屬材料加工對比圖8.3 長脈衝雷射和飛秒雷射的金屬材料加工對比
一、鐵鎳合金的加工 • 圖8.4(a)為採用脈寬為8ns，能量為0.5mJ長脈衝雷射，在1mm厚鐵鎳合金薄片上加工的25m寬溝槽，邊緣可見不規則的熔渣重鑄物。而採用飛秒雷射加工的溝槽［圖8.4(b)］，加工邊緣非常乾淨銳利，精度很高。
二、金屬鎳的加工 圖8.5飛秒雷射在金屬鎳上打100m直徑的通孔
三、鋁箔上打孔 • 用60fs、3.3J的飛秒雷射脈衝，在18m厚的鋁箔上打孔徑為10m的10×10孔陣列，其中打每個孔用18個脈衝。
四、不銹鋼上打孔 • 圖8.9(a)是用摻鈦藍寶石飛秒雷射（脈寬為120fs，脈衝重複頻率為1kHz），在厚度為750m的不銹鋼上，以45打出直徑為400m小孔的截面圖。將它局部放大後，如圖8.9(b)所示，基本上看不到熱量對邊緣的影響，可以看到線條清晰的邊緣。
圖8.9 飛秒雷射在不銹鋼上以45角打直徑為400m的小孔圖8.9 飛秒雷射在不銹鋼上以45角打直徑為400m的小孔
五、其他金屬的飛秒加工 圖8.10飛秒雷射在厚度為100m的金屬鎢上打直徑為120m的通孔
圖8.13飛秒雷射在厚度為1mm的金屬鉬上加工寬度為5m的溝槽（中心距離10m）圖8.13飛秒雷射在厚度為1mm的金屬鉬上加工寬度為5m的溝槽（中心距離10m）
圖8.14飛秒雷射在厚度為1mm的金屬鉬上打直徑5m孔（中心距離10m）圖8.14飛秒雷射在厚度為1mm的金屬鉬上打直徑5m孔（中心距離10m）
六、發動機噴嘴上打微孔 • 飛秒雷射可進行“無熱加工”，可以非熔化性生產精確的幾何形狀，用飛秒雷射加工更好的汽車發動機噴油嘴（圖8.16），且無需後續加工。
七、用於熱電偶製造的超快雷射直接加工 成型方法 • 熱電偶結構如圖8.17(a)所示，由4層構成：氧化鋁底層、熱電偶A、氧化鋁絕緣層和熱電偶B。如圖8.17(a)所示，兩個熱電偶材料A和B交替放置在列上電連接、在行上熱連接。 • 在通常的可用合金中，鎳鉻合金(Ni90Cr10)和銅鎳合金(Cu55Ni45)的結合，具有最高的熱電功率，所以選擇這兩種合金作為相異材料來製作熱電偶組。熱電偶靈敏度與熱電偶的量有關，也就是與連接點的數目有關。連接點越多，連接密度越大，熱電偶的靈敏度則越高。
圖8.18 超快雷射加工的有81處連接的熱電偶SEM照片圖8.18 超快雷射加工的有81處連接的熱電偶SEM照片
八、對光掩模上奈米量級的尺寸缺陷修復[5] • 光掩模是由光刻技術製備的，但由於結構極其複雜，且為多步程序，經常存在缺陷需要修補。修補光掩模的方法有：長脈衝雷射、聚焦離子束和飛秒雷射。聚焦離子束加工有兩個致命弱點，即引起鎵著色和石英基底的侵蝕，這大大降低了基底的透射率，也大大影響基底的光學性能。長脈衝雷射加工的熱影響區大，在去除缺陷的同時，材料熔化濺射形成殘渣，並且對基底有燒蝕，嚴重影響基底的光學性能。而飛秒雷射加工過程中，缺陷部份的材料以氣體形式去除，幾乎不影響周圍區域和襯底層的光學性能，可對光掩模上奈米量級的缺陷進行修復，圖8.20是飛秒雷射修改的光掩模缺陷。
九、飛秒脈衝對矽晶片的微加工 • 鈦寶石CPA再生放大器系統產生出重複頻率為1kHz、脈衝寬度為150fs的雷射脈衝，中心波長為800nm，光譜寬度約10nm。通過一個二次諧波產生器，得到實驗中所使用的波長400nm的300fs的倍頻雷射脈衝，脈衝能量為40～200nJ。通過一個由25m小孔，10倍的顯微物鏡和一個焦距為40mm的凸透鏡，使雷射變成直徑為6mm的平行光。再經過一個焦距為19mm的聚焦透鏡，將光束聚焦成直徑為5nm（通過計算得出）的光斑。用丙酮清洗過的厚度為500m的2"（1"＝1in＝25.4mm。）矽晶片樣品放在三維精密移動工作檯上，樣品以400nm/s的速度移動，進行消融加工。用飛秒雷射進行切割矽晶片，幾乎沒有熱傳遞，精度很高。
十、飛秒脈衝對陶瓷的微加工 • 飛秒雷射對陶瓷的加工精度非常高，盲孔的入口邊緣非常銳利，沒有產生微裂紋。
十一、飛秒脈衝對高分子材料微加工 • 含氟高分子材料具有高的抗化學腐蝕性，在化學微分析方面日益受到重視，但這類材料用長脈衝雷射難以進行高精度的微加工，然而使用飛秒雷射則得到優良的加工效果，如圖8.22所示。 • 飛秒雷射不但可以進行精密加工，而且不影響材料的機械性能，圖8.23所示為飛秒雷射加工的心臟血管支架照片。
十二、金屬切削 • 使用此技術加工的金屬出現與折射晶格相同的七彩虹反射。圖8.24所示的是使用鈦藍寶石雷射（波長800nm，照射點尺寸41.5m×65.7m，強度10mJ/cm2～28J/cm2，脈衝寬度5～70fs），以650nm的間隔在銅上切削的溝槽的顯微鏡照片。溝槽深度平均為150nm。據稱溝槽間隔能夠縮短到300nm左右。
圖8.24 飛秒雷射切削痕跡附近產生的奈米週期溝槽照片（材料為銅）圖8.24 飛秒雷射切削痕跡附近產生的奈米週期溝槽照片（材料為銅）
十三、飛秒雷射拆除退役的火箭和砲彈[5] • 使用1kHz、100fs的雷射切割直徑6mm、厚度2mm的PETN炸藥而不會起火。因此，飛秒雷射有希望作為一種冷處理工具，用於拆除退役的火箭、火砲砲彈及其他武器。
8.4.2 飛秒雷射脈衝對透明介質的材料去除 微加工 • 一、飛秒脈衝對石英和玻璃等光學材料的加工 圖8.25奈秒雷射和飛秒雷射加工對比照片
