作者：邱建榮，浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議上做飛秒激光加工方面的報(bào)告后，我經(jīng)常會(huì)被問到：飛秒激光與其它激光加工有什么不同？
這是一個(gè)受普遍關(guān)注卻不是只言片語(yǔ)就能回答的問題，就像貌似簡(jiǎn)單的玻璃為什么是透明的問題一樣。我們需要根據(jù)理論從原理上進(jìn)行分析和闡述。在這里，我們指的飛秒激光是指脈寬為1-1000 fs（1 fs=10-15s）的激光，其它激光是指脈寬大于1000 fs（1 ps）的脈沖激光或連續(xù)激光。
激光加工過程中需要考慮激光的波長(zhǎng)、能量（或功率）、脈寬、頻譜、脈沖頻率、偏振、相位等因素，同時(shí)還要考慮聚焦系統(tǒng)以及掃描速度和方向，被加工對(duì)象物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)，甚至是物質(zhì)所處的環(huán)境條件如溫度和氣氛。脈寬是其中一個(gè)非常重要的具有普遍影響的激光參數(shù)。為簡(jiǎn)單起見，下面的討論假設(shè)其它條件基本相近（其實(shí)這個(gè)條件很難成立），只是脈寬不同的情形。飛秒激光也主要是指現(xiàn)在用得最多的鈦寶石以及Yb3+摻雜晶體和光纖激光器為主，波長(zhǎng)在1 μm附近的近紅外的飛秒激光。
飛秒激光系統(tǒng)很貴
飛秒激光現(xiàn)在已開始用于切割、鉆孔、焊接、打標(biāo)、剝離、修復(fù)等加工領(lǐng)域，但應(yīng)用還不是很普遍。一方面是很多情形其它激光也用得很好，另一方面是飛秒激光很貴。飛秒激光的價(jià)格比長(zhǎng)脈沖激光和連續(xù)激光要貴很多。其它參數(shù)相近的飛秒和皮秒激光有時(shí)也會(huì)相差幾十萬(wàn)元。
飛秒激光貴的原因主要有：
1）根據(jù)傅里葉變化關(guān)系，要產(chǎn)生超短飛秒脈沖必須具有寬光譜的增益介質(zhì)，譬如鈦寶石。增益介質(zhì)的帶寬決定了最終能實(shí)現(xiàn)的脈寬。所以用作飛秒激光增益介質(zhì)的要求會(huì)高一些，現(xiàn)在主要是鈦寶石，部分Yb3+摻雜晶體和玻璃光纖；
2）飛秒激光脈沖一般需要通過鎖膜技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，用來加工的大脈沖能量的飛秒脈沖還需要進(jìn)一步將低脈沖能量的飛秒脈沖通過脈沖展寬-放大-壓縮的再生放大技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，飛秒激光系統(tǒng)要用到加工精細(xì)的啁啾鏡等光學(xué)元器件以及高功率抽運(yùn)源，激光系統(tǒng)比較復(fù)雜。
飛秒激光特性很好
飛秒加工有不少優(yōu)勢(shì)，首先體現(xiàn)在精度高，其基于多光子吸收的特征和閾值效應(yīng)以及加工過程中熱效應(yīng)可以忽略（也就是通常強(qiáng)調(diào)的冷加工）。這里應(yīng)該注意，這是指單脈沖或脈沖頻率比較低的情形，另外也只是相對(duì)而言，這里忽略了激光波長(zhǎng)以及對(duì)象物質(zhì)的特征等。
原理上，飛秒激光由于其脈寬很短，較低的脈沖能量就可以獲得極高的峰值功率（脈沖能量/脈寬），當(dāng)用物鏡等進(jìn)一步聚焦到材料時(shí)，由于焦點(diǎn)附近能量密度很高，能引起各種強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)。
激光加工可以認(rèn)為是一種激光誘導(dǎo)反應(yīng)，原理上分為誘導(dǎo)分子振動(dòng)和電子激發(fā)。前者是熱反應(yīng)，后者與構(gòu)成物質(zhì)的原子外殼層電子關(guān)聯(lián)的化學(xué)鍵相作用。考慮物質(zhì)的能帶結(jié)構(gòu)，一般長(zhǎng)波長(zhǎng)激光如CO2激光利用的是分子振動(dòng)導(dǎo)致的熱反應(yīng)，短波長(zhǎng)激光如準(zhǔn)分子激光利用的是電子激發(fā)產(chǎn)生的化學(xué)鍵的切斷。
近紅外飛秒激光加工通過多光子過程，也就是說雖然材料在激光波長(zhǎng)(λ)沒有線性吸收，但焦點(diǎn)附近的光強(qiáng)很高，通過同時(shí)吸收多個(gè)（n）光子，起到了將短波長(zhǎng)(λ/n)的光拿到材料內(nèi)部去照材料所產(chǎn)生的同樣效果，實(shí)現(xiàn)有空間選擇性的微觀結(jié)構(gòu)操控，而不影響表面結(jié)構(gòu)，這是飛秒激光加工的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)。
因?yàn)槎喾N非線性過程競(jìng)相參與，所產(chǎn)生的現(xiàn)象往往超過我們的預(yù)測(cè)和想像。飛秒激光與材料相互作用時(shí)，在此我們考慮在激光波長(zhǎng)沒有線性吸收的介質(zhì)，首先是通過多光子吸收或電離等過程，激光能量沉積在電子體系中，進(jìn)而通過一系列的能量傳遞和輸送過程，導(dǎo)致材料的一系列變化。一般情況下，在激光輻照下，電子吸收光子被激發(fā)的時(shí)間在fs范圍（脈沖作用過程中），隨后發(fā)生電子-聲子耦合，能量傳遞至晶格與晶格達(dá)到熱平衡的時(shí)間在幾個(gè)到幾十ps量級(jí)。熱擴(kuò)散、材料熔融的時(shí)間尺度隨著材料的不同而有所區(qū)別，基本在幾十到幾百ps的時(shí)間量級(jí)。材料表面燒蝕形成的時(shí)間為幾百ps到ns不等。
在納秒及皮秒激光作用下，電子氣中沉積的激光能量在激光脈沖照射材料的時(shí)間內(nèi)就傳給晶格，從而引起材料的加熱、熔化甚至燒蝕，過程中熱效應(yīng)的作用明顯。而飛秒激光的脈沖寬度小于電子-聲子相互作用的時(shí)間尺度，電子氣中沉積的激光能量來不及傳給離子激光脈沖輻照就已經(jīng)結(jié)束了。此時(shí)電子氣的溫度非常高，而離子的溫度卻很低，材料發(fā)生的是“冷”燒蝕過程，抑制了流體力學(xué)效應(yīng)、熱學(xué)效應(yīng)等，加工的精度很高。已有不少工作比較了脈寬對(duì)激光加工的影響。從圖1可以看出飛秒脈沖加工結(jié)構(gòu)比較陡峭而干凈，皮秒和納秒激光存在熱效應(yīng)產(chǎn)生的隆起和殘余。正是由于飛秒激光的高精度和“冷加工”特性，它可以廣泛應(yīng)用于微電子、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，也應(yīng)用于醫(yī)療，如近視眼矯正、腦科手術(shù)等。
圖1 不同脈寬激光在100 μm厚的不銹鋼薄片上打孔的效果
左：80 ps 中：3.3 ns 右：200 fs
當(dāng)脈沖寬度大于20 ps，研究表明石英玻璃的損傷閾值與脈沖寬度的平方根成正比，也就是說這時(shí)石英玻璃發(fā)生了熱損傷。當(dāng)脈沖寬度小于10 ps時(shí)，損傷閾值與脈沖寬度的依賴關(guān)系明顯偏離平方根的規(guī)律，材料的損傷主要是由雪崩擊穿引起。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，一個(gè)電子被加速到能量高于帶隙寬度時(shí)，它將與價(jià)電子碰撞并產(chǎn)生兩個(gè)動(dòng)能較小的導(dǎo)帶電子。如此的鏈?zhǔn)竭^程不斷重復(fù)，電子數(shù)隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。如果雪崩產(chǎn)生的電子數(shù)密度在脈沖輻照時(shí)間內(nèi)達(dá)到臨界值，材料被擊穿。賈天卿等將量子力學(xué)與經(jīng)典近似相結(jié)合，研究了導(dǎo)帶電子的光吸收，根據(jù)flux-double模型和Keldysh理論分別算出了雪崩速率和光致電離速率，對(duì)材料中導(dǎo)帶電子數(shù)密度的演化進(jìn)行了分析，發(fā)展了雪崩擊穿模型，解釋了材料的損傷閾值與脈沖寬度以及燒蝕深度、燒蝕體積與激光強(qiáng)度的依賴關(guān)系。
飛秒激光作用于金屬時(shí)，由于飛秒激光的脈沖寬度小于電子-聲子相互作用的時(shí)間尺度，電子吸收的激光能量來不及傳給離子就結(jié)束了。所以電子的溫度很高而離子的溫度還很低，飛秒激光燒蝕金屬是一個(gè)非平衡燒蝕。雙溫模型和改進(jìn)的雙溫模型表明晶格的溫度變化跟晶格熱傳導(dǎo)和電子-晶格耦合有關(guān)。在高強(qiáng)度（≥1014W/cm2） 飛秒激光的作用下，材料的電離完成于脈沖作用時(shí)間（~100 fs）結(jié)束前，此時(shí)金屬和介質(zhì)的燒蝕機(jī)理是一樣的。
飛秒激光是冷加工，其實(shí)是一個(gè)誤解
經(jīng)常有人認(rèn)為飛秒激光一定是冷加工，其實(shí)這也是一個(gè)誤解。飛秒激光加工還與激光脈沖頻率有關(guān)。當(dāng)將眾多的飛秒激光脈沖串起來準(zhǔn)連續(xù)的脈沖陣列也就是脈沖頻率很高時(shí)，飛秒激光加工的剩余熱會(huì)產(chǎn)生熱累積效應(yīng)。控制重復(fù)頻率則有望實(shí)現(xiàn)兼具飛秒激光和長(zhǎng)脈沖或連續(xù)激光特征的多光子吸收和熱效應(yīng)共存的三維結(jié)構(gòu)制備，進(jìn)一步拓展形成微納結(jié)構(gòu)的種類與材料的功能。
圖2 飛秒激光在碲酸鹽玻璃樣品中誘導(dǎo)的熱影響區(qū)域
圖2是250 fs, 800 nm, 500 kHz飛秒激光在碲酸鹽玻璃樣品中誘導(dǎo)的熱影響區(qū)域的光學(xué)照片。誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的熱效應(yīng)，結(jié)構(gòu)隨照射時(shí)間明顯增大。飛秒激光與材料相互作用過程中，光子加熱電子（<1ps）和電子—聲子耦合的時(shí)間尺度（ps）遠(yuǎn)小于熱擴(kuò)散的時(shí)間尺度（>0.1ns），這樣激光加工的剩余熱會(huì)產(chǎn)生一個(gè)熱場(chǎng)。對(duì)于低重復(fù)頻率飛秒激光，由于脈沖之間的間隔時(shí)間較長(zhǎng)，在下一個(gè)脈沖到達(dá)材料的時(shí)候，激光聚焦區(qū)域的溫度已經(jīng)下降到環(huán)境溫度。而對(duì)于高重復(fù)頻率飛秒激光，由于其脈沖之間的間隔時(shí)間較短，當(dāng)這個(gè)時(shí)間短于激光照射產(chǎn)生的熱場(chǎng)擴(kuò)散所需的時(shí)間的時(shí)候，下一個(gè)脈沖到達(dá)樣品時(shí)，前一個(gè)脈沖產(chǎn)生的熱場(chǎng)還沒有完全消散，就會(huì)導(dǎo)致熱量的累積作用。而隨著照射時(shí)間的延長(zhǎng)，激光脈沖數(shù)量的增加，激光聚焦區(qū)域的溫度會(huì)逐漸升高，直至到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡。高重復(fù)頻率飛秒激光照射過程中產(chǎn)生的熱場(chǎng)雖然會(huì)增大激光誘導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)的尺寸，但它對(duì)某些微納結(jié)構(gòu)的形成也是至關(guān)重要的。
網(wǎng)上有不少將飛秒激光神化的描述，我們需要還原飛秒激光的本來面目，將飛秒激光用到極致，用在其能真正發(fā)揮其特點(diǎn)的領(lǐng)域，而不是“將原子彈用來轟蚊子”。
參考文獻(xiàn)：
1 邱建榮，【飛秒激光加工技術(shù)---基礎(chǔ)和應(yīng)用】，科學(xué)出版社，2018， 北京。
2 B.N. Chichkov et al., Appl. Phys. A63, 109-115(1996).
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