金剛石、藍(lán)寶石、石英、玻璃、晶體等透明材料具有優(yōu)良的綜合性能，廣泛地應(yīng)用于各類光電子器件、精密儀器中。然而這類材料普遍具有硬度高、脆性大、耐腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，給這類材料的加工造成很大的困難。
隨著透明材料功能性元器件朝越來(lái)越小型化、精密化的趨勢(shì)發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式無(wú)法滿足這一需求。激光加工提供了一種先進(jìn)的非接觸式的材料處理方法。依靠光與物質(zhì)相互作用，可以有效地克服高硬度帶來(lái)的挑戰(zhàn)，因此激光非常適合于高硬度材料的加工與處理。
然而由于低吸收的特性，激光直接加工透明材料存在極大的困難。通常需要特殊的激光器，如波長(zhǎng)在透光窗口以外的紫外、深紫外、中遠(yuǎn)紅外激光器，或能激發(fā)非線性吸收的超短脈沖激光器。另外，當(dāng)前激光加工還存在粗糙度高、裂紋產(chǎn)生、加工效率低等一些問(wèn)題。
在汽車領(lǐng)域，除了“油驅(qū)動(dòng)”和“電驅(qū)動(dòng)”兩種車型外，還有一種被稱為“混合動(dòng)力”的驅(qū)動(dòng)類型。混動(dòng)汽車集成了兩種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)勢(shì)，不僅具有補(bǔ)充能量快、節(jié)能省油的優(yōu)勢(shì)，還兼具了電動(dòng)汽車的諸多優(yōu)點(diǎn)。
與此類似，激光加工領(lǐng)域也可以通過(guò)“混合”的方式來(lái)解決高硬度透明材料難加工、質(zhì)量差的問(wèn)題。混合激光加工技術(shù)引入了其它的介質(zhì)或加工手段來(lái)輔助激光加工過(guò)程。利用這些輔助的手段，這種混合的方式具備了很多直接加工所不具備的優(yōu)勢(shì)，例如可以增強(qiáng)透明材料的吸收率、提高加工效率、降低加工表面粗糙度或減小熱效應(yīng)的影響。
鑒于此，來(lái)自新加坡國(guó)立大學(xué)的洪明輝教授、劉華剛博士和中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所的林文雄研究員共同以“Hybrid Laser Precision Engineering of Transparent Hard Materials: Challenges, Solutions and Applications”為題在Light: Science & Applications上發(fā)表了綜述文章。
本篇文章系統(tǒng)地總結(jié)了幾種常用的混合激光加工技術(shù)，分析了它們各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并對(duì)混合激光加工技術(shù)的應(yīng)用和未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了討論和展望。聚焦于以激光為主，其他方法為輔的混合激光加工技術(shù)。
根據(jù)所引入的輔助手段的不同，針對(duì)高硬度透明材料的混合激光加工技術(shù)大致可分為兩類(如圖1所示)：
圖1. 混合激光加工技術(shù)分類
（1）引入其他介質(zhì)來(lái)輔助激光加工，常用的介質(zhì)有等離子體、液體或薄膜材料等。引入介質(zhì)的主要作用是增強(qiáng)透明材料對(duì)激光能量的吸收，或者直接作用于透明材料，通過(guò)物理或化學(xué)作用加快激光對(duì)材料的去除速度。
這一類技術(shù)主要包括：激光誘導(dǎo)等離子體輔助加工技術(shù) (Laser-induced plasma-assisted ablation，LIPAA)、激光誘導(dǎo)背面濕法刻蝕 (Laser-induced backside wet etching，LIBWE)、激光誘導(dǎo)背面干法刻蝕 (Laser-induced backside dry etching， LIBDE)、激光誘導(dǎo)正向刻蝕 (Laser-induced front side etching，LIFE)。
（2）激光加工結(jié)合其他加工技術(shù)或工藝。這種混合的方式可以充分利用激光加工和其他加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提高加工質(zhì)量或加工速度。這一類型主要包括濕法/干法刻蝕輔助激光改性、雙光束激光加工和水導(dǎo)激光加工等。
該綜述詳細(xì)討論了三種在高硬度透明材料加工中應(yīng)用較為廣泛的混合激光加工技術(shù)。
1. 激光誘導(dǎo)等離子體輔助加工技術(shù)(LIPAA)
在LIPAA混合激光加工技術(shù)中，一個(gè)固體靶材以一定的距離(一般為零到幾百微米)放置于透明材料的背面。激光通過(guò)透明材料照射到靶材表面，激發(fā)出等離子體、微納顆粒噴射到透明材料的背面。在等離子體、微納顆粒的作用下，透明材料背面的激光吸收率顯著增大，導(dǎo)致其損傷閾值迅速降低。因此在激光誘導(dǎo)等離子體的作用下可以在較小的功率下實(shí)現(xiàn)透明材料的加工。該技術(shù)使得近紅外或可見(jiàn)光工業(yè)納秒激光器可以直接用于透明材料的加工，不需采用紫外或超短脈沖激光器，可以大幅度地降低使用和維護(hù)成本。基于納秒激光器的LIPAA已經(jīng)大量地應(yīng)用于石英、玻璃、藍(lán)寶石等材料的切割、表面微結(jié)構(gòu)加工、表面圖案化和薄膜沉積加工中。超短脈沖激光也可以應(yīng)用于LIPAA技術(shù)中，由于更小的熱效應(yīng)，飛秒激光LIPAA可以有效地減小裂紋產(chǎn)生，并獲得光學(xué)級(jí)的加工粗糙度，可以應(yīng)用于透明材料上高深寬比微結(jié)構(gòu)制作和光學(xué)器件的直接加工(如圖2所示)。
圖2. 飛秒LIPAA在藍(lán)寶石材料上直接加工達(dá)曼光柵(Dammann Grating)和渦旋光產(chǎn)生器(OAM generator，Orbital Angular Momentum generator）
2. 激光誘導(dǎo)背面濕法刻蝕技術(shù)(LIBWE)
LIBWE是利用液體來(lái)輔助激光加工透明材料的一種技術(shù)。透明材料的背面與液態(tài)介質(zhì)接觸，激光透過(guò)透明材料并在透明材料與液態(tài)介質(zhì)的交界面處實(shí)施加工。多種液態(tài)介質(zhì)可用于LIBWE技術(shù)中，例如無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)溶劑、水和液態(tài)金屬等。液態(tài)介質(zhì)在LIBWE技術(shù)中扮演了重要的作用：
(1)在與透明材料的接觸面上增強(qiáng)對(duì)激光能量的吸收，降低激光加工閾值；
(2)某些材料可以在激光加熱的條件下與透明材料反應(yīng)，加快透明材料的去除速度；
(3)液態(tài)介質(zhì)在激光作用下，產(chǎn)生局部高溫高壓氣體，可以促進(jìn)材料從透明基底上快速剝離；
(4)液態(tài)介質(zhì)的流體特性可以帶走激光加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘?jiān)?br/>基于以上作用，LIBWE被廣泛地應(yīng)用于石英、各種玻璃、藍(lán)寶石、氟化鈣等材料的加工處理上。其中研究較多的是如何利用LIBWE提高激光加工的效率(材料去除率)和加工的質(zhì)量(表面粗糙度)。通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，LIBWE可以實(shí)現(xiàn)600nm/pulse的去除速率和小于5nm的表面粗糙度，使得這種技術(shù)可以廣泛地應(yīng)用于玻璃或晶體等透明材料的切割、鉆孔、微結(jié)構(gòu)加工甚至光學(xué)元器件的加工(如圖3所示)。
圖3. LIBWE技術(shù)用于透明材料切割、微結(jié)構(gòu)加工和光學(xué)器件加工
3. 濕法/干法刻蝕輔助激光改性技術(shù)
受激光衍射極限和熱效應(yīng)的限制，直接的激光加工往往分辨率不高，加工獲得的表面粗糙度較大，無(wú)法滿足許多高精度、高質(zhì)量加工的需求。
濕法或干法刻蝕技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的高精度加工方法，但這種技術(shù)往往需要前期復(fù)雜的光刻或掩模處理。激光改性和刻蝕后處理相結(jié)合的技術(shù)則可以利用這兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在透明材料的加工上獲得大量的研究和應(yīng)用。該項(xiàng)混合激光加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：
(1)這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部加工。激光可以聚焦于材料的內(nèi)部，在內(nèi)部進(jìn)行材料改性，再通過(guò)后續(xù)的化學(xué)腐蝕處理實(shí)現(xiàn)內(nèi)部材料的去除或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的加工。這一特性是其他技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)的；
(2)這種混合技術(shù)可以獲得高精度和高表面質(zhì)量的加工。利用透明材料對(duì)超短脈沖激光(飛秒或皮秒)的非線性吸收的閾值特性，可以獲得超衍射極限的加工分辨率。而后續(xù)進(jìn)行的濕法和干法腐蝕則可以進(jìn)一步提高加工的表面質(zhì)量，其加工質(zhì)量可以達(dá)到光學(xué)器件等級(jí)；
(3)激光改性過(guò)程可以采用直寫的方法，避免了采用較為復(fù)雜和昂貴的光刻過(guò)程。
這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)的整合使得激光改性+后處理刻蝕混合加工技術(shù)可以直接在透明材料上加工高質(zhì)量、高精度的微透鏡陣列、達(dá)曼光柵、菲涅爾透鏡、光機(jī)械相位調(diào)制器等微光學(xué)器件和光機(jī)元件。同時(shí)這種技術(shù)也廣泛地應(yīng)用于透明材料內(nèi)部或表面2D/3D結(jié)構(gòu)的加工，并在光流體學(xué)、集成芯片實(shí)驗(yàn)室、光子晶體等結(jié)構(gòu)的加工中發(fā)揮重要作用(如圖4所示)。
圖4. 激光改性+后處理刻蝕混合加工技術(shù)應(yīng)用
隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，透明材料的混合激光加工技術(shù)在未來(lái)將面臨很多新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇：
(1)硅等半導(dǎo)體材料在中紅外波段是透明的，因此混合激光加工技術(shù)可以拓展到半導(dǎo)體材料的加工中，這一領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊；
(2)隨著人造金剛石質(zhì)量的提升和價(jià)格的逐步降低，金剛石材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，混合激光加工在金剛石的加工方面可以發(fā)揮重要的作用，也有許多挑戰(zhàn)有待解決；
(3)當(dāng)前平板顯示與可穿戴消費(fèi)電子領(lǐng)域?qū)ν该鞔翱凇⒁r底材料、光學(xué)器件提出很多新的需求，混合激光加工技術(shù)可以在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域占有一席之地。
在總結(jié)展望部分，文章還定性比較了幾種常用的混合激光加工技術(shù)優(yōu)劣、適用范圍和各自的特點(diǎn)，為該領(lǐng)域的研究和技術(shù)人員提供了有意義的參考。
論文信息：
Liu, H., Lin, W. & Hong, M. Hybrid laser precision engineering of transparent hard materials: challenges, solutions and applications. Light Sci Appl 10, 162 (2021).
論文地址：
https://doi.org/10.1038/s41377-021-00596-5
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