超短、超強和高聚焦能力是飛秒激光的3大特點。 飛秒激光脈寬可短至4 fs(1 fs=10-15 s)以內…，峰值 功率高達拍瓦量級(1 Pw=1015w)聚焦功率密度達到1020-1022 W／cm2。飛秒激光可以將其能量全部、快速、準確地集中在限定的作用區域，實現對玻璃、陶瓷、半導體、塑料、聚合物、樹脂等材料的微納尺寸加工，具有其它激光加工無法比擬的優勢：①耗能低，無熱熔區，"冷"加工；②可加工的材料廣泛：從金屬到非金屬再到生物細胞組織，甚至是細胞內的線粒體；③高精度、高質量、高分辨率，加工區域可小于焦斑尺寸，突破衍射極限；④對環境沒有特殊要求，無污染。飛秒激光微加工是當今世界激光、光電行業中極為引人注目的前沿研究方向。世界各國學者在飛秒激光與材料相互作用機理研究方面已取得重大的進展，開發出以鈦寶石激光器為主的飛秒激光微加工系統，開展了飛秒激光微納加工的工藝研究，促進了多學科的融合，推動著飛秒激光微納加工技術向著低成本、高可靠性、多用途、產業化的方向發展。飛秒激光微加工技術將在超高速光通訊、強場科學、納米科學、生物醫學等領域具有廣泛的應用和潛在的市場前景。本文旨在綜述飛秒激光微加工技術國內外的研究狀況，介紹飛秒激光微加工的重要應用，展望其今后的發展趨勢。 1 國內外飛秒激光微加工技術研究狀況 1．1飛秒激光微加工基礎理論的研究 飛秒激光加工機理的研究、試驗大多是探索陛的，多與長脈沖情形相比較而確定飛秒激光的燒蝕特性，在一定程度上解釋了飛秒激光與物質相互作用的物理本質。目前理論研究較系統的材料有金屬和透明介質。 (1)金屬前蘇聯Anisimov SI等人于1975年第一次提出了超短脈沖燒蝕金屬材料的雙溫模型。該模型從一維非穩態熱傳導方程出發，考慮到超短脈沖作用時，存在光子與電子、電子與晶格兩種不同的相互作用過程，列出了電子與晶格的溫度變化微分方程，即雙溫方程。一些學者以該模型為基礎，在不同的激光脈寬下對雙溫方程進行約化，求得解析解"-。發現當激光脈寬遠遠小于晶格的受熱時間時，燒蝕時間不依賴于激光脈寬。試驗得到的金屬銅材料的燒蝕速率與雙溫模型基本一致。1999年，Falkovsky L A和Mishchenko E G基于玻爾茲曼方程和費米狄拉克配分函數提出熱電子爆炸模型來描述金屬材料中的超快形變。2002年，chen J K等人綜合雙溫模型及電子爆炸模型，假定單軸應變三維高壓條件，提出了一系列相關聯的瞬時熱彈性變形方程。數值結果表明，超短激光脈沖燒蝕過程中，非熔融態損傷占支配地位，這種非熔融態損傷的主要動力來源于熱電子爆炸力。 (2)透明介質 1990年，Hand D P和RusseU P St J根據K-K(Kmmers-Kronig)因果關系提出了色心模型，該模型的前提是假設光敏效應產生于缺陷處局域電子的激發。在一定范圍內解釋了折射率變化的原因。但RusseU、Williams等人分別通過吸收光譜測量及進行K．K變換發現得到的折射率變化與實驗結果有兩個數量級的差異。隨后有學者提出了偶極模型、壓力模型、應力壓縮模型等。1997年，哈佛大學Maur E領導的小組研究了飛秒激光在熔融SiO2、BK7光學玻璃等透明材料內部產生的微爆炸現象。除化學氣相沉積金剛石外，均導致了直徑為亞微米的立體像素，通過分析表明：飛秒激光在透明介質中引發的強烈自聚焦效應使激光焦斑尺寸小于衍射極限，微爆炸形成一個微腔，腔周圍是高密度材料。2002年，德國Henyk M等人分析了飛秒激光燒蝕藍寶石，表明燒蝕的基本過程是由于表面爆炸即庫侖爆炸所引起的。另外，該小組還研究了飛秒激光燒蝕NaCl及BaF2等寬帶隙晶體材料，同樣證實了庫侖爆炸的合理性。2003年，Egidijus Vanaga8等人采用納焦能量的飛秒激光在硼酸硅玻璃形成丘狀納米結構，燒蝕機理與庫侖爆炸相一致。丘狀燒蝕物沒有明顯的熔融和環形凹痕，受損部位的橫向尺寸小于聚焦樣品表面的焦斑4至5倍，這與多光子效應所導致的破壞機理相一致。總之，關于飛秒激光與材料相互作用的物理機制， 目前還沒有一個統一的看法，這個問題仍然是未來研究的熱點。 1．2飛秒激光微加工系統的發展現狀 飛秒激光出現以來，啁啾脈沖放大、以鈦寶石晶體為主的增益介質、克爾透鏡鎖模。和半導體可飽和吸收鏡等技術促使著它從染料激光器發展到自啟動克爾透鏡鎖模激光器，以及后來的二極管泵浦全固態飛秒激光器和飛秒光纖激光器。為滿足科研和生產進一步發展的要求，國內外學者仍然致力于飛秒激光器研究，紛紛搭建起微加工系統。飛秒激光系統由振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器4部分組成。表1是近年來國內外最具有代表性的飛秒激光器、微加工系統。從表l可以看出：①輸出脈寬大約幾百飛秒，真正短到幾飛秒的甚少，因而平均功率較低，限制了它在商業中的應用，生產效率較低；②工作穩定性提高，壽命延長，如暢銷全球的CPA-21××系列的種子光有20年的平均無故障時間；③實現MHz的重復頻率輸出；④可調諧波長范圍變廣，加工精度、光束質量較高；⑤利用它的超快特性，逐漸實現三維精細加工。但飛秒激光系統在小型化、可調可控性、實用性、全光纖等方面還有很大的發展空間。 另外，對比國內外的發展狀況，可以看出國內存在的差距：①國內生產飛秒激光器、微加工系統的知名公司較少；②完全用國產元件搭建的飛秒激光系統甚少；③國內飛秒激光微加工基本上停留在實驗室研究階段，真正用于超快、微加工領域實際生產的極少。 2 飛秒激光微加工技術的應用 2．1飛秒激光加工微結構 基于能量高度集中、熱影響區? ⑽薹山ξ奕墼⒉恍杼厥獾鈉寤肪場⑽蘚笮ひ鍘⑺庾泳酆霞庸ぞ瓤紗?．7μm等優勢，飛秒激光在誘導金屬微結構加工應用方面和精細加工方面都取得了很大的進展。 (1)孔加工在1mm厚的不銹鋼薄片上，飛秒激光進行了具有深孔邊緣清晰、表面干凈等特點的納米級深孔加工(如圖1a)；在金屬薄膜上，鈦寶石飛秒激光加工制備出了微納米級陣列孔(如圖1b)，孔徑最小達2.5μm，孔直徑在2．5～10μm間可調，最小間距可達10μm，很容易實現10-50μm間距調整。(2)金屬材料表面改性1999年，德國漢諾威激光中心Nolte S等人首次報道了結合鈦寶石飛秒激光三倍頻光(260 nm)和SNOM(掃描近場光學顯微鏡)在金屬鎘層制出了線寬僅200 nm的凹槽。為以后的無孔徑近場掃描光學顯微鏡(ANSOM)取代SNOM奠定了基礎，獲得了高達70 nm的空間分辨率，開拓了遠場技術在納米范圍下的物理化學特性以及輸運機制的研究。 (3)金屬納米顆粒加工 自1993年Henglein A等人首次利用激光消融法制備金屬納米顆粒以來，許多研究小組制備出高純度、粒度分布均勻的金屬納米顆粒。Link H等人進一步控制飛秒激光的能流密度和照射時間，將金屬納米棒完全融化為金屬納米點。與其它激光脈沖相比，飛秒激光改變的金屬顆粒尺寸大小和特定形狀，使金屬納米顆粒特別是貴金屬(Au、Hg、Pt、Pd等)在催化、非線性光學、醫用材料科學等領域具有廣闊的應用前景。 (4)金屬掩模板加工 新加坡南洋科技大學Venkatakrishnan K等人利用飛秒激光直寫方法制作了以金屬薄膜為吸收層、石英為基底的金屬掩模板，并將前入射與后入射兩種方案作了比較，發現采用前入射的方法能夠得到更小的特征尺寸和好的邊緣質量。并且利用飛秒激光超衍射極限加工有效地修補了金屬鎘掩模板的缺陷，修復的線寬達到小于100 nm的精度。目前構建的飛秒激光修正光掩模板工具已在IBM的柏林頓、佛蒙特州的掩模制作設備中運行。這對微電子技術的發展將具有重要意義。 (5)復雜的微結構加工①耐熱玻璃上的水渠道結構(圖2)，邊緣質量較好。但結構的精確性、表面和底端形態還有待改進；②光敏樹脂里面制作的世界上最小的人造動物模型：10μm長，7μm高的公牛；③ScR500樹脂內制備的約10μm的微型金字塔和房子模型；④光刻膠上飛秒雙光子聚合(Two-Photon P01ymerization：TPP)的微型蜘蛛和恐龍模型(圖3)等。這些都為飛秒激光加工將在高密度內聯接印刷電路板、MEMS制造、微納米過濾技術中具有良好的工業應用前景奠定了基? ? 2．2光通信領域 光通信的高速率、大容量和寬帶寬的發展方向，要求光電器件的高度集成化。而集成化的前提是光電器件的微型化。因此，光電器件的微型化是當前光通信領域研究的前沿和熱點。近年來，相比傳統的光電技術，飛秒激光微加工技術將成為新一代光電器件的制造技術。國內外學者在光波導的制備技術等諸多方面進行了有益的探索，取得了很大的進展。 (1)光波導的制備光波導易于和光纖通信系統耦合且損耗小，在頻域中呈現出豐富的傳輸特性，成為光纖器件的研究熱點。與離子注入法和熱擴散型離子 交換法等目前常用的制作方法相比，飛秒激光制作波導在室溫環境下進行，過程簡單，波導結構在高溫時仍 能保持良好的質量和穩定性。美國學者用飛秒激光 制備的增益光波導長1 cm，可產生3 dB／cm的信號增益。大阪大學的Watanabe W等用85 fs、重復 頻率l kHz、單脈沖能量1．5 μJ的鈦藍寶石激光制作 的多模干涉波導陣列，實現了高階模輸出。目前， 利用計算機精密控制飛秒激光加工平臺，可以在材 料內部的任意位置制得任意形狀的二維、三維或單模光波導。 (2)光柵的制備光柵在光通訊、色散補償、光纖 傳感等領域中發揮著不可替代的作用。光產業的發展，對光柵提出了更高的要求：①不同幾何形狀排列， 如六角陣列光柵；②在光纖內部刻劃，如Bragg(布拉格)光纖光柵。傳統加工方法工序繁雜、制作的光柵穩定性差、壽命短。而飛秒激光微加工克服了這些缺點，永久性改變折射率，改變量高達0．05，實現直接刻劃，順應了現代光柵微型化和多樣化的發展趨勢。Mihailov S等人采用鈦寶石飛秒激光在摻鍺通信光纖纖芯上獲得的反射Bragg光柵，具有折射率調制范圍廣，溫度穩定性高的特點。 (3)光子晶體的制備光子禁帶和光子局域是光子晶體的兩大特征，使其極有可能取代大多數傳統的光學產品。但是微米甚至亞微米級三維復雜光子晶體的制備技術是急需解決的關鍵問題。飛秒激光雙光子聚合法靈活，加工精度高，是制備光子晶體的理想選擇。Sun H B等人采用飛秒激光制出任意晶格的光子晶體，它能單獨地為單個原子選址。serbin J等人采用飛秒激光雙光子聚合得到結構尺寸小于200 nm，周期為450 nm的三維微結構和光子晶體㈣J。Markus Deubel采用飛秒激光直接掃描法制出應用于無線電通信的三維光子晶體。國內的戴起勛等制出桿、層間距均5μm，共4層，分辨率為1．1μm的層狀木堆型光子晶體(如圖4)。 (4)光存儲使用高分辨率存儲材料無疑會增加記錄密度，而采用超短激光進行亞微米級操作會得到更好的效果。飛秒激光多光子吸收作用引起材料的永久性光致還原現象，為超高密度三維立體光存儲提供了一個全新的思路，存儲密度可達1013bits／cm3。其特點：①快速的數據讀、寫、擦寫、重寫；②并行數據隨機存取；③相鄰數據位層間串擾小；④存儲介質成本低。飛秒激光三維立體光存儲技術成為當前海量存儲技術發展的一個新研究方向。 (5)微通道的制備聚合物力學性能好，具有生物相容性，而且飛秒激光光束幾乎可以毫無衰減地到達透明材料內部的聚焦點，入射激光唯有在該點位置才能獲得較高的功率密度，發生非線性多光子吸收和電離，實現材料內任意部位三維微結構的直寫。采用150 fs鈦藍寶石脈沖激光在聚甲基丙烯酸甲脂(Polymethyl Methacrylate：PMMA)內制備出最小直徑2μm、最長達10 mm的微通道(如圖5)，道壁光滑且沒有裂紋，沒有損壞透明材料表面，這種微通道將廣泛用于生物醫學技術如DNA拉伸、微統計分析系統等。 2．3生物醫療領域 飛秒激光具有"冷"加工、能量消耗低、損傷? ⒆既范雀摺⑷占瀋涎細穸ㄎ壞撓諾悖畬笙薅鵲羋懔松鏌攪頻奶厥庖螅孩偈質醴縵盞停啥醞換即卸啻問質酰瘟樸現芷詼蹋虎諳啾卻呈質醯叮皆蔥愿腥舊伲虎?全激光"手術，無刀勝有刀，精確度高；④無痛，無并發癥。 目前，在此方面取得的研究進展有：①在牙齒、隱形眼鏡上鉆孔，邊緣干凈、無損傷；②非熱性手術切割燒蝕腦組織樣品b51；③納米切割人體染色體；④制作血管支架，力學性能好，可望解決血管再狹窄問題，即治療冠心病；⑤飛秒激光飛行質譜DNA排序；⑥飛秒激光激發的熒光顯微術對小鼠植入前胚胎內細胞中的鈣信號和染色體實現真正的三維、四維實時成像。等。最具有現實意義的是美國INTRALASE公司的Intmlase飛秒激光，可以按任何角度、形狀設計制作光滑而且厚度均勻一致的角膜瓣，精確到±10μm。至今Intralase飛秒激光的LASIK手術已經超過30萬例，臨床統計它的精度要超過傳統角膜刀100多倍。IntraLase"飛秒激光"的出現，使人類第一次在眼角膜手術上離開了手術刀，真正實現了"全程無刀手術"。現在科研者正努力將其用于青光眼及白內障等手術中。在生物醫學中，飛秒激光僅局限為一種外科手術工具，要想將其廣泛用于醫學診斷、生物活體檢測、蛋白質分析等方面，還有許多技術層面上的問題需要研究和解決。 此外，飛秒激光微加工技術在一些特殊領域具有 廣闊的應用前景：①鉆孔、切割高熱導性、高熔點金屬 (如錸、鈦等)和高硬度金剛石。②安全切割一些高爆 危險物品如：LX-16、TNT、PETN、PBx等，避免了長脈沖激光線性吸收、能量轉移和擴散等的影響，斷面處沒有炸藥熔化和反應的痕跡。但在研究切割雷管時，由于熱感度較高，處理過程中發生了爆炸H1|，應該深入研究分析，使之能夠被安全切割。③利用飛秒激光觀測分析物理化學反應本質，有望控制核聚變，以獲得可控的無污染核聚變能源。④將光頻與波頻聯系起來的飛秒光梳技術，為更精確的頻率機構一光鐘的誕生鋪平了道路。 3 展望 飛秒激光微加工還處于起步階段，該技術的發展和應用還需解決一系列的關鍵技術問題：(1)目前沒有形成一套完整的理論來解釋：在超快、超短、超強的極端條件下，激光與物質相互作用的物理本質；(2)加大力度投資生產飛秒激光器、微加工系統，將其體積進一步小型化；改善其微加工的工作環境，延長其壽命等；(3)針對飛秒激光微加工的特性以及被加工材料的屬性，開發模型設計的軟件，對加工過程進行模擬和仿真，實現最佳參數加工；(4)飛秒激光微納加工應用現階段都只局限于實驗室階段，盡快探索其產業化途徑，解決一些在能源、材料、環境、航天以及國防方面國家急需解決的問題；(5)降低加工成本，實現高效率生產，以滿足市場需求。 可以肯定，隨著工業需求的擴大和技術的進步，飛秒激光微加工技術將會變得越來越成熟，它將會不斷地開辟新的研究領域，具有廣闊的應用前景。