顧 理，孫會來，于 楷，趙方方

(1．天津市現(xiàn)代機電裝備重點實驗室天津工業(yè)大學機械工程學院，天津300387;2．四川省制造與自動化重點實驗室西華大學，四川成都610039;3．遼寧省鐵嶺港華燃氣有限公司技術設備部，遼寧鐵嶺112000)

1 引言

激光作為20世紀最偉大的發(fā)明之一，自1960年Maiman利用紅寶石實現(xiàn)的第一臺激光器，已經(jīng)經(jīng)歷了五十余年。通過鎖模方式的超短激光器也很快出現(xiàn)于1964年，人們將脈沖寬度提升到皮秒級，自此激光脈沖化的研究不斷推進。80年代染料激光器的出現(xiàn)，實現(xiàn)了激光脈沖的飛秒化。直到90年代初，克爾透鏡鎖模飛秒鈦寶石激光器使得飛秒激光技術獲得了一次飛躍發(fā)展［1］。

脈寬急劇縮小，峰值功率大幅提高，使得飛秒激光在微納加工領域的優(yōu)勢凸顯無疑。人們也越發(fā)重視并且利用飛秒激光進行精密微納加工。飛秒激光在與物質的相互作用時，可以實現(xiàn)超高分辨率，實現(xiàn)超高的精度，從而達到納米尺度的加工和制造。當今，飛秒激光在很多科學領域擁有重要的意義，具有廣泛的前景，比如可以實現(xiàn)超高密度的光存儲器，納米集成電路，高精度光柵，微機械結構與零件。這一切都讓飛秒激光成為了應用領域的熱點研究方向。

飛秒激光的微納加工在實現(xiàn)超細微加工的同時，不但擁有較小的加工熱影響區(qū)而且可以克服等離子體屏蔽的現(xiàn)象。通過控制聚焦，飛秒激光可以將能量注入到透明介質的內(nèi)部，實現(xiàn)三維制造加工，并且加工材料的種類廣泛。

2 飛秒激光微納加工類型

飛秒激光微納加工的類型可以分為激光燒蝕微加工以及雙光子聚合加工。

激光燒蝕微加工利用其本身獨特的性質使材料瞬間蒸發(fā)，而不經(jīng)歷熔化過程，具有優(yōu)良的加工特性［2－3］。雙光子聚合加工三維微納結構時利用飛秒激光聚焦點上發(fā)生的雙光子吸收效應，獲得比衍射極限還要小的光響應，可以在多種材料上進行微納米尺度的加工［4－5］。

對波長特定的激光來說，材料可分為吸收材料和透明材料［6］。飛秒激光對于這些材料的作用機理都不相同。由于自由電子大量存在的緣故，金屬具有良好的導熱性和導電性。透明材料原本不會吸收這一波段，但是由于飛秒激光可以產(chǎn)生極高的光強，它使材料實現(xiàn)對激光的非線性吸收。

3 飛秒激光微納加工研究現(xiàn)狀

在世界范圍內(nèi)，歐洲、美國、日本在飛秒激光微納加工領域仍處于領先地位。尤其以德國和美國為主。早在1996年，Chichkov所在的德國漢諾威激光中心實驗室就利用不同的激光束對薄鋼片進行燒蝕的打孔實驗，實驗結果顯示利用納秒、皮秒脈沖激光打孔的過程不穩(wěn)定，液化和汽化同時發(fā)生，孔的周圍有液體濺射的痕跡。飛秒脈沖加工的孔沒有熔化跡象，孔周圍只有環(huán)形蒸汽的痕跡，加工面平整。飛秒激光加工的優(yōu)勢凸顯無疑［7］。

在2003年，德國漢諾威激光中心實驗室又進行針對金屬板的燒蝕打孔實驗，Chichkov小組采用150 fs的激光，在厚度為1 mm的不銹鋼板上進行打孔，實驗結果顯示飛秒燒蝕加工可以得到極好的微加工質量［8］。

德國許多科研機構利用超短激光脈沖，在不同材料上做了很多相關的加工試驗。比如Lumera公司針對不同材料進行的加工實驗，結果可以看出其優(yōu)良的加工質量和精度，這都展現(xiàn)出飛秒激光的加工優(yōu)勢。如圖1所示。

圖1 Lumera公司分別在銀、鎢、鐵、鉬、硅以及玻璃材料上進行的加工

美國在飛秒激光微加工領域的成果也很豐碩，許多研究機構在早期就開展了相關的研究，比如密西根大學超快光學研究中心、Clark公司、哈佛大學、密蘇里科技大學等都進行了該方面的研究。其中密西根大學超快光學科技中心最具有代表性，該科技中心的G．Mourou研究小組在20世紀90年代初期就可開展了關于飛秒激光與物質相互作用的研究，也是早期進行燒蝕研究的先驅［9－10］。

Qiu等人［11］在飛秒燒蝕理論上和實驗上做出的研究的基礎上，美國密蘇里科技大學的Jiang L，Tsai等學者改進了雙溫方程［12－13］。他們發(fā)現(xiàn)能量密度高的時候，雙溫方程就不再精確了，高能量密度加工時會帶來很多的誤差。于是他們量化了一些雙溫方程中的光學和熱學的參數(shù)特征，包括電子熱熔、擴散時間、電導率、吸收率等，在他們的模型中引入新的參數(shù)來計算自由電子的密度、溫度，以金為靶材，準確地預測了材料的燒蝕閾值和加工深度。

新加坡南洋理工大學的Venkatakrishnan等人進行了光掩模研究中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的制造技術時間和精度不能兼顧。他們利用飛秒激光對包含有鉻和金兩種金屬薄膜的掩模母版進行了直寫掃描加工［14－15］，直寫加工出了約600 nm 的微孔和微槽結構。他們設計了一套專用的飛秒激光直寫加工系統(tǒng)，在不影響基底石英的前提下，可以快速高效地在光掩模上寫入復雜的形狀，這一突破將有利于微電路、電子器件的發(fā)展。

國內(nèi)在飛秒激光和物質相互作用的研究上，主要進行對雙溫方程的研究，從而為后續(xù)研究的開展打下理論基礎［16］。

正如上文所說，除了燒蝕微加工之外，飛秒激光還可以進行雙光子聚合加工。無需掩模，高分辨率以及熱效應小的特點，使其研究與應用領域很廣泛，在高精度微結構和微器件的制造上實現(xiàn)了大的進展［17］。

激光在樹脂內(nèi)掃描并控制焦點位置，依據(jù)焦點的軌跡，樹脂硬化后成為三維造型。在2001年，日本大阪大學Kawata研究小組利用雙光子吸收制造出了當時世界上最小的三維結構。通過激光器發(fā)出的100 fs脈沖，利用光閥控制光的開啟，擴束之后進行二維掃描，花費了3 h之久，制造出了長10μm，高7μm，體積和紅細胞大小差不多的納米牛，這不僅開創(chuàng)了雙光子微納加工的新篇章，還促進了其他科學領域的發(fā)展［18］。

2005年，韓國Lim研究團隊，利用納米復印印刷技術制造出了二維馬的造型和英格蘭的地形。利用雙光子聚合的復印技術可以不需要光掩模，直接制造出更為精確的模型［19］。如圖2所示。

圖2 SEM掃描下的納米復印的英國和馬的圖形

隨著雙光子聚合微加工技術日趨成熟，在2006年，Chichkov等人也做了類似的三維立體加工。由電腦產(chǎn)生的3D結構，利用飛秒激光在直接記錄進光敏材料中，制造出了微結構恐龍和可活動的微風車。如圖3所示。

圖3 微結構恐龍以及風車的電鏡掃描照片

以超短激光雙光子聚合進行三維微加工得到了廣泛的關注，加工不僅僅局限于一些造型設計也涉及到了一些結構組織，還可以制作三維機械零件，包括彈簧、齒輪以及光子晶體器件。

2004年，中國科技大學袁大軍等人利用雙光子聚合加工在樹脂材料上制作出了納米級的齒輪［20］。華中科技大學王新林等用飛秒激光制作的微型懸臂梁［21］。

2009年，浙江大學舉辦了一次關于飛秒激光應用的國際研討會，會上日本北海道大學的Hiroaki Misawa教授作了題為Applications of the Laser 3D-structured Materials的邀請報告。Misawa教授的研究團隊在近幾年關于飛秒激光與物質相互作用方面取得了顯著的進展，他們利用飛秒激光雙光子聚合加工出超精細結構，精度高達30nm，并利用這些結構組成了新的晶體結構和造型［22］。

日本名古屋大學的Maruo教授等人，利用負性光刻膠技術，制造出了以光驅動的微型裝置，有著亞微米探測末端的可活動微機構，可以利用激光束控制其尖端的開放和閉合，可以更精確更容易的控制其運動［23］。如圖4所示。除此之外Maruo教授還設計了一種微探針，在激光驅動下，可以進行移動，并且認為在不遠的將來除了制造復雜造型和零件外，飛秒激光雙光子聚合技術加工的器件可以對單個細胞和單個分子進行操作。

圖4 前端具有針狀結構的微鑷子

曼徹斯特大學L Li等人在研究以激光為基礎的納米結構技術時，利用低于衍射極限的激光束，產(chǎn)生了大面積復雜的納微組織，得到星形以及H形的機構，在XY方向上都是1μm，20 nm深，并且可以同時生成600萬個相同的結構［24］。如圖5所示。

圖5 星形陣列與H形陣列的電鏡掃描照片

雙光子聚合技術產(chǎn)生的光子晶體是其重要用途之一，相比于半導體生長模式，要容易獲得得多。同樣這種雙光子聚合同樣也在生物工程中展現(xiàn)出了優(yōu)勢。比如在組織工程中，利用雙光子聚合技術制造出了腳手架結構，如圖6所示，這種結構需要結合適當?shù)牟牧弦约熬_的控制，才能可以模仿重建細胞微環(huán)境，甚至有望能夠在體內(nèi)和活的組織融合。

圖6 腳手架結構

4 結束語

目前飛秒激光與材料相互作用的研究不斷深入，在材料加工中的應用極其廣泛，而且已經(jīng)開始走向了產(chǎn)業(yè)化。但是在在一些領域，飛秒激光技術還不成熟，作用機理還未統(tǒng)一。但是可以肯定的是，飛秒激光超短，超強和高聚焦能力的特點使得其應用前景廣闊，并在當今微納加工領域占領一席之地，并且隨著工業(yè)科技的發(fā)展，飛秒激光將推動微加工、材料制備、生物學、電子學等領域一同進步。

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