027-87373498

应用方案

您所在的位置是::网站首页 > 应用方案

飞秒脉冲超精细加工手册
点击下载

   用激光来加工材料早在1970年就被提出来,现在它已经可以成熟地应用到各种工业加工中。而激光微加工是近些年才受到人们关注,它最早出现在1980年,到目前还在不断发展。最早的微加工是用连续或长脉冲激光来实现,对于这些传统的加工光源,由于激光束和被加工物体存在热传递,因此加工精度和质量受到极大程度的限制。也就是说,用今天的标准来衡量当时的微加工精度,并不是微量级(micro的。许多加工者也认识到并在逐步减小伴随在加工前后热传递产生的各种负面效应,但其结果又增加了加工的复杂性和成本。
       
当用于激光脉冲能量沉积到加工物体上时,部分的能量就转化为热能。这些热不会停留在初始加工的位置,它会在一个特定的时间内散开——被称为“热扩散时间”。这是一个众所周知的现象,就像你打开电炉子,过一会儿它就会变热。在微观领域,同样存在着热扩散时间,只不过它所包含的尺度是完全不同的。在激光加工领域,典型的热扩散时间不是以秒记的,而是皮秒(差不多10皮秒)。
      
早在九十年代,密歇根大学的科学家就发现激光束到工作块的热传导是可以用飞秒激光取代传统的长脉冲激光方法来克服的。要消除热流在材料周围的扩散,就必须使用非常短的激光脉冲来加工。这个发现开创了精细微加工的新领域。
      
在详细介绍超快激光加工之前,先让我们看看激光与物质作用的原理。为了使复杂的问题简单化,我们将光与物质相互作用的简单划分为两个范围。一个是激光脉冲非常的短(即超快或超短),另一个是激光脉冲相对而言较长(长脉冲)。这里我们定义的超短脉冲是指脉宽小于10ps的脉冲,一般在飞秒量级。而长脉冲是指持续时间大于10ps,即大于热扩散时间。其中长脉冲激光可能是连续、准连续、Q调制等,其共同点就是脉冲持续时间与热扩散时间相比拟。

第一章  时间尺度

什么是飞秒?

我们从需要涉及的时间尺度开始,这些时间尺度可能大多数人都不太熟悉。

Millisecond 毫秒

1x10-3  second

Microsecond 微秒

1x10-6  second

Nanosecond 纳秒

1x10-9  second

Picosecond 皮秒

1x10-12  second

Femtosecond 飞秒

1x10-15  second

根据以上关系,1飞秒等于一百万分之一纳秒,也就是说飞秒超短脉冲是传统纳秒激光脉冲持续时间的百万分之一。一百万分之一,这意味着:

在数学上,1飞秒等于10-15秒,也即一千万亿分之一秒。

飞秒脉冲是人类创造的“最快”的奇迹,绝对没有其它别的东西能超过它。

您还在怀疑这种让人难以置信的时间尺度吗,这里有另一种方法可以让您了解飞秒脉冲到底有多短。

 

第二章  长脉冲加工

在前面的讨论中,我们曾以10ps脉冲宽度为界线大致将其划分将激光脉冲加工分成两大类,一种是超短脉冲加工,另一种是长脉冲加工。我们知道长脉冲激光可以是连续、准连续、Q调制等,绝大多数商业激光器(工业用)都属于长脉冲激光的范畴。

首先来看看长脉冲与物质作用会有什么现象。

长脉冲与物质作用的最基本的特点就是在激光脉冲持续时间内,光束沉淀在物质中的热量会扩散。如图3.1所示,专业一点,就是脉冲持续时间大于热扩散时间。如果您想做激光焊接(Laser welding),这是很合乎需要的。但对于大多数激光微加工来说,热扩散到周围材料是不能容忍的。为什么呢?看完下面几点您就会了解热扩散对加工质量的损害了。

l  热扩散降低微加工的效率。它使加工点的能量白白损失,这些能量本可用来搬运材料的。这种加工就像是要填满一个穿孔的水桶,您必须注入更多的水才能补偿那些漏掉的水。另外,材料的导热性越好,就相当于桶底的孔越大,需要注入的水就更多。

l  热扩散会减小聚焦加工点的温度,使其不易超过材料的熔点。材料的搬运靠的是大量的热量沉积在熔化沸腾的材料上。如图3.1所示。从工作区域会有熔化材料的液珠喷射出来,这些液珠会滴落在样品的表面,造成污染。还有一些大的液珠,它们含有相当大的热量,可以凝固在样品上,在不损坏样品的情况下,很难将它们清除掉。

l  热扩散降低了微加工的精度。一般,在长脉冲加工时,热量会从加工点扩散(由于加工的效率极低,扩散的热量极大),会形成熔融区。该熔融区的尺寸远大于激光束的尺寸,因此很难做到超精细加工。也就是说,用材料沸腾来实现的长脉冲加工,其加工尺寸是不取决于光束尺寸本身的,因此,尽管光束尺寸可以用聚焦方法达到1mm或者更小,对大多数材料加工尺寸还是很难超过10mm

l  热扩散会影响加工点附近区域。该区域可称之为热影响区(HAZ)。加热以及其后的冷却均会产生波动,通过HAZ时,由于机械的压迫会产生微裂,有时甚至还会出现大的裂痕,如图3.1所示。当材料冷却时,这些缺陷就会冻结在加工的结构里,以后使用的时候,这些裂缝就会延伸到材料的深处,使器件过早的损坏。另一个常见的现象是材料的加工点附近形成重铸层(recast layer)。这种重新固化的材料与未熔化的材料相比具有不同的物理或化学结构。重铸层可以说是整个工件的机械弱点所在,所以必须去除。在一些应用中,如动脉支撑器(stent,一种植入人体器官中,如血管、肠胃管道等,用于支撑和保证该器官的畅通)加工中,必须经过昂贵的后续加工处理将重铸层(也叫熔渣slag)去除。

l  热扩散常常伴随有表面冲击波的形成。这种冲击波会破坏器件周围的结构,还会将材料分成多层。一般来说,所用加工激光脉冲的能量越大,产生的冲击波也越强。

3-1 长脉冲与物质相互作用。图中给出了长脉冲加工时出现的几种常见的物理现象,材料吸收长脉冲能量,产生熔化、溅射、蒸发,这些会污染到周围区域,另外还出现微裂。加工的口径显然大于光束的聚焦尺寸。另外还有其他不利的效应如对临近结构的损伤、材料的分层、重铸等,并且不同脉冲加工的再现能力极差。

以上我们全面的介绍了几种伴随热扩散产生且影响微加工质量的现象。因此,必须减小,最好是去除热扩散,我们将在第五章详细讲述这方面的内容。

第三章  长脉冲加工样品

INVAR(不胀钢),是一种镍、铁合金,在室温下具有极小的热传导系数。INVAR常用作要求要求极其稳定的机械部件材料。图4.1中为长脉冲加工后的不胀钢材料,所用激光脉冲参数为:脉宽8ns,单脉冲能量0.5mJ。加工过程没有用喷气辅助清除熔渣。

显然,在这种情况下的加工过程并不十分干净,狭缝边缘的重铸层清晰可见,切口附近还可以看见大的残留物。当然,可以用一种喷气辅助工具来吹走加工过程中产生的熔化物,这样可以得到一个看起来干净的切口。但是,在熔化物被吹出的一面,仍会有些污染物。

4-1 用长脉冲(纳秒量级)在1cm厚的不胀钢板上加工的25mm宽狭缝

第四章  超短脉冲加工

本章主要介绍超短脉冲对物质的烧蚀。在超短时间域,激光与物质相互作用的基本特点就是在激光脉冲持续时间内沉积到材料的能量根本来不及扩散。也就是说脉冲持续时间小于热扩散时间,这是非同寻常的,而且对超精细加工来讲是非常重要的。这种情况只能通过超短脉冲来实现。

5-1 超短脉冲激光与物质相互作用图示,可以看出本图比3.1要简单得多,加工时能量没有扩散,直接将工作点的材料变成了等离子体,然后以高能气体形式喷射出去。

如图4.1所示,超短脉冲加工有一下几个优点。

l  由于能量没有时间扩散,加工的效率非常的高。就像在第三章中对长脉冲加工的分析一样,用长脉冲加工就像去填一个穿底的水桶,而超短脉冲加工就是填一个不漏的桶。当能量堆积在工作点时,其温度在一瞬间上升到超过材料的熔点甚至沸点。事实上,温度会继续上升到超过等离子态的形成阈值。您可能会觉得这太神奇了,当然,这决不是一个普通的实验。这一切是怎么发生的呢?我们将在后面详细讲述。

l  飞秒激光器,如Clark-MXR公司的CPA-2001系统,可以产生令人难以置信的峰值功率,该系统通常输出的峰值功率在510GW(这比一个大型的核电站所发电的总功率还要多)。这种激光聚焦后的功率密度可达到每平方厘米百太瓦量级。就这一点,世界上绝对没有其它人造东西与其相比。

l  没有材料能经得住这么强功率密度的光照射。这意味着用超快激光可以加工非常硬的材料,如一些高熔点的金属如钼、铼等。

没有热扩散对于加工过程还有别的意义吗?

在超短脉冲将加工点的材料变成等离子体后,由于它内部的高压使它向外扩张,以烟或高能气体的形式排出。等离子体中的带电离子和电子从材料向外扩张,由于电子比离子轻且具有更高的能量,它先从材料中脱离,接着就是离子。因为离子都是带正电的,它们相互排斥着膨胀排出到材料外。这样,就没有小液珠凝结到材料表面。另外,没有出现液态,因此也就没有材料溅射。

飞秒激光加工的其它优点将在后面的章节中详细讨论。

第五章  飞秒加工样品

同样在1mm厚的不胀钢上加工一个狭缝,如图6.1所示。其中,右边是长脉冲加工的结果,左边所示为用超快激光加工的结果,其参数为脉冲宽度200fs,单脉冲能量0.5mJ。对比可见,使用超短脉冲加工的样品比用纳秒长脉冲加工的要干净得多,而且没有重铸层,切边也更笔直。值得注意得是,用超短脉冲加工的狭缝较宽,这说明加工过程非常有效。

6-1 超短脉冲与长脉冲两种方法在1mm厚不胀钢上加工狭缝对比


第六章  污染、残留物等


7-1用长脉冲在不胀钢上加工的狭缝,与下面的超短脉冲加工的图片相比较,可以看出前者污染非常严重。我们曾经尝试用较强的干燥氮气流来清除污染物,但并不成功。

7-2用超短脉冲加工的不胀钢狭缝。该狭缝由Clark-MXR超快工作站微加工而成,它与前面用传统长脉冲(10ns)激光加工的结果相比,其加工结果非常干净(尤其用干燥的氮气流来清洗样品后)。


在传统的激光加工中,大量的残留物产生,这些残留物很难被清除。

如图7.1所示的纳秒脉冲加工不胀钢狭缝,在工作区的周围有一个很大的热影响区,大量的重铸层出现在狭缝的两边。重铸层的外边,残留物(熔化的液珠)清晰可见,这些液珠附着在材料表面时具有极高的温度,去除它们要经过后续处理,如果不损坏材料表面的情况下,很难做到,而下面利用超短脉冲加工的情况则完全不同。

用超短脉冲加工产生的残留物非常少,也没有高温液珠污染表面,更重要的是飞秒脉冲加工产生的细小灰尘所含的热量少,不会附着在材料表面。

用长脉冲加工时必须注意减少热残留物产生,通常的办法是用强的气流来清除,或者在它们凝结之前将它们排除。这样残留物污染有所缓和。另外,用户还开发了多种不同尺度的喷枪,以及使用多种不同的气体,包括用纯的氧气来快速燃烧这些残留物。

这些措施在一定程度上减少了残留物对样品的污染,当然,它解决不了热扩散带来的其他问题。


第七章  热影响区(HAZ


飞秒激光加工优点:

  • 没有熔融区
  • 没有微裂
  • 没有冲击波
  • 没有分层
  • 没有重铸层
  • 没有对临近结构的损伤

加工过程(从故态材料到一个膨胀的等离子体态)非常的快,热量没有时间从焦点扩散开。

对工作点周围的热影响显著减小,并且伴随热影响区出现的各种负面效应也不复存在:没有熔融区;没有微裂;没有冲击波;没有分层;没有重铸层;没有对临近结构的损伤。


第八章  加工精度

影响微加工精度的因素。

1.       热扩散

热扩散会大大降低微加工的精度。对传统激光器,热扩散使加工点附近产生大于光束尺寸的熔融区,因此它很难用于极精细的微加工。也就是说材料的沸腾使得材料被加工的尺寸不取决与光束尺寸本身。这样,虽然光束经过聚焦,最小尺寸可以达到微米或更小,但在许多材料中加工精度却很难达到1030mm

当用超短脉冲加工时,热扩散被截止了,它不再成为微加工精度的限制。

2.       光波长

限制微加工精度的第二个因素就是工作波长和光束聚焦的光学元件。

最小的聚焦尺寸是光波长与物焦镜的数值孔径比值成正比的。因此,使用短波长比使用长波长的激光加工要好。但可以明确的是,一般热扩散引起的加工精度限制要比波长、数值孔径的限制要大得多。

3.       激光束相对于加工物体得位置

加工精度还取决于光束对于加工物体的精确定位。一般有两种定位方法,一种将光束固定,用传输平台来移动加工物体;另一种是固定加工物体,而用电流计来移动光束。一般用前者。

我们的加工平台可以使用各种平移台(包括不同移动范围、分辨率、速度和成本)。我们装备在加工平台上的典型移动平台,其单步分辨率为1mm(在整个移动范围100mm内移动精度为5mm),也可提供更高精度的移动平台,但其价格较高,而且必须安装在花岗岩基座上,这更增加了系统的成本。

4.       烧蚀过程中的一些确定或不定因素

当超短脉冲加工的大部分优良性能被解释为没有热扩散这个根本原因时,它的其它一些特性,如极高的加工可重复性、亚微米量级的加工精度、以及能对透明材料进行加工,解释这些同样需要详细了解光与物质相互作用的物理过程。

这到底是个怎样的过程呢?图9.19.2将帮您深入了解。

 

9-1 长脉冲作用时的雪崩电离(一)

9.1给出了长脉冲与典型样品作用的图示,该样品由原子核与电子组成。为了清楚表示,只画出了电子。图中,电子分为束缚电子和自由电子。束缚电子是紧密结合在原子核周围的,而自由电子相对而言就比较分散。束缚电子与自由电子的比值与材料的种类有关。例如金属中自由电子多,而半导体或绝缘体中自由电子就较少。图9.1所示,材料中的自由电子较少,它是一个半导体。

前面我们都把激光脉冲当作一些“固体能量块”,现在需要将其当成电磁波包。该波的频率相对于光的颜色,振幅对应于脉冲的峰值功率。

当这个波包(脉冲)进入样品时,其电场开始振荡。这时样品中的束缚电子由于被紧紧束缚着而只能轻轻“摆动”,而自由电子只要一经光脉冲作用就产生强烈振荡。在振荡时,这些自由电子与周围的原子不时发生碰撞,如果激光的光场足够强,自由电子就会撞开被原子核束缚的束缚电子,形成新的自由电子。这样,在光场的驱动下,就会出现更多的碰撞,产生更多的自由电子。

这种增殖过程被称为雪崩效应,由于它电离原子产生自由电子,故又称雪崩电离。

雪崩过程的开始必须有一个自由电子处在电磁场中,如果没有自由电子的存在,必将显著阻碍雪崩过程的启动,也终将妨碍材料的烧蚀。

在金属中含有大量的自由电子,故其雪崩过程非常迅速。这会导致可再生加工(这可能是与热扩散相关的另一个问题)。在半导体或绝缘体中自然存在的自由电子很少,这时雪崩电离可能会立刻出现也可能不出现,这取决于光照点的自由电子有无。光场中自由电子越多,雪崩过程就会越高效。这样看来,加工能不能进行基本上靠运气,就是这种物理过程上的不确定性导致了加工速度的不稳定。激光源可以做得非常稳定、光斑尺寸和每个脉冲能量可以精确控制,然而要让材料一个脉冲接一个脉冲地均匀烧蚀,必然还要考虑雪崩过程。这也是高精细微加工的一个重要限制因素。

那我们就无计可施了吗?怎样克服这个过程呢?

最直接地方法就是事先增加材料的自由电子数量。如何增加呢?

有两种方法:使用紫外光或使用超短脉冲激光。它们基于同一个原理:在待加工物质中有许多电子,只不过它们绝大多数是束缚电子,对雪崩过程没有作用。但是,我们可以将其转化为自由电子。这样问题就解决了。

9-2 短脉冲作用时的雪崩电离 (二)

9.2所示为超短脉冲作用时的雪崩电离过程。由于超短脉冲具有巨大的峰值功率,也即电磁场波包具有极大的振幅,在前面的分析中曾提到:“当光波包进入样品时,自由电子开始振动,但束缚电子只不过微微晃动”。但是在超短脉冲光场作用下,它(束缚电子)就不只是微微晃动而已,而是被“振荡”成自由电子。随着自由电子数增多,雪崩电离立即进行,这样就可用作高精度微加工了。如图9.3所示。

9-3 雪崩电离(三)。长脉冲与短脉冲加工的比较。

第九章  亚微米特性

“独特的多光子吸收、饱和雪崩电离的结合使得超短脉冲加工精度小于一个微米。”

我们必须了解的是材料加工的亚微米特性是建立在高可重复性的基础上的。如果您要确定激光加工材料的最小精度,您必须尽可能的将光束聚焦到最小。光斑尺寸由许多因素决定,但这里我们对讨论作如下限制:光束能聚焦的最小光斑与该激光的波长相近,即如果使用0.5mm的波长,则最小光斑就是0.5mm。对于长脉冲而言,由于热扩散作用使得最小精度不会小于10mm

参考图10.1,我们可以看出超短脉冲加工是怎样获得小于中心波长的加工精度的。首先,将超短脉冲激光聚焦成一个从中心向四周平滑递减的强度分布通常为高斯分布的光斑,在前面曾提到超短脉冲加工材料时会有加工阈值的存在。如果我们调整激光光斑的强度(极容易做到),这样只有超过阈值功率密度的光斑中心部分能够被加工。这样可以把加工区域限制在光斑尺寸的十分之一左右,如图10.1所示。

10-1 超短脉冲加工时亚微米精度的产生

现在设想超短脉冲的中心波长为0.2mm,使用这种超短脉冲可获得的最大加工精度可达0.02mm,即20nm

利用超短脉冲加工这种独特的多光子吸收和饱和雪崩电离的结合可以获得亚微米的加工精度。如果没有超短脉冲加工的这种特性,以及加工过程中的高确定性,是不可能实现无熔融区加工的。因此,如果用长脉冲加工,系统根本不可能加工出亚微米精度的产品。

第十章  体材料内部加工

将超短脉冲聚焦到材料内部可以在其内部刻画通道(pits)。

众所周之,一些材料对部分光波长是透明的,例如玻璃对于可见光。也就是说它不吸收可见光,当然是在它强度小于多光子吸收阈值的前提下。我们可以通过聚焦使焦点处的功率密度超过多光子吸收阈值,这样就可实现材料内部的加工。

当脉冲强度超过等离子体产生的阈值以后,多光子吸收就被局限发生在聚焦点上。由于等离子体膨胀,但这时它被周围材料所限制,膨胀产生的扩张效应就可以在紧密的材料内部加工一个空隙(pit)。这个过程不只局限于玻璃材料,它可适用于任何能将超短脉冲聚焦到其内部的材料,也不管它是晶体还是非晶体。

第十一章       波导加工

只有超短脉冲才能加工透明材料。

可以用超短脉冲在材料中加工一个单模波导。玻璃对775nm来说是透明的,我们的微加工技术将超短脉冲聚焦到材料内部,通过控制多光子吸收和雪崩电离使其焦点处局部熔化,待其重新凝固后,其物理性质改变,即与周围材料产生折射率差,形成类似波导的结构。当一束光沿该路径方向传播时,这种结构就像光纤波导一样具有导光作用。

只有超短脉冲才能在透明材料中产生这种效应。对纳秒长脉冲而言,在光强达到波导形成的阈值前,样品可能就损坏了。下图所示就是一个在玻璃上加工的波导传输He-Ne激光的远场输出模式。这种波导可以做成单模,也可做成多模。

12- 1 超短脉冲在玻璃内加工的波导传输He-Ne激光的远场输出模式

 

 

 

其它照片:

在透明材料内部可以实现三维加工,下面图片展示中所有的一维或三维样品都是用Clark-MXR公司生产的飞秒光源在其微加工车间写入的(这些照片均为数码相机拍摄,没有经过任何编辑)。

    

12-3同一个三维波导样品,(左图)为从上往下看是一个小直径的螺旋线,(右图)从侧面看就是一个直波导。

          

12-4 直径大小不同的两个螺旋线波导。(左图)底部为小直径,顶部为大直径螺旋线。(中间)侧面图,(右图)另一角度。

       

12-5 He-Ne激光散射图。(左图)小直径螺旋线。(右图)大直接螺旋线。

  

12-6 Nd硅酸盐玻璃中的单模(左图)和双模波导(右图)传输He-Ne激光的近场输出光强分布。通过改变加工脉冲的参数,可以写出单模、多模等各种不同的波导。

第十二章       主动波导

这是据我所知目前做得最好的用近红外超短脉冲加工的主动波导。

对紫外线敏感的光敏光纤在20年前就被发现[1],已经成为光波导器件进展的一个关键点。利用紫外光的简单全息装置[2]可一次在平面波导和光纤中写入一个光栅[3],或者在固体玻璃中直接写入光波导。但这种方法存在着局限性:许多玻璃对光不敏感,也就产生不了大的折射率差,还有就是多数玻璃的紫外光敏范围非常接近其吸收边。

Mourou等人报道了利用飞秒激光脉冲在各种玻璃中引入折射率差[4]。在硅酸盐、硼酸盐、氟化玻璃等玻璃中的热稳定光波导已经出现了[5]。更复杂的结构如Y型交叉分束器[6]、长周期光栅[7]等都有报道。

我们也第一次报道了目前据我们所知最好的用近红外超短脉冲加工的活动波导。该器件是一个掺Nd的硅酸盐玻璃的波导放大器。

实验细节及其讨论:

实验中使用的材料是市场上可以买到的掺Nd玻璃棒,从该玻璃棒的吸收系数评估器掺杂浓度是大约2×1020 ions/cm3

加工波导所用光源是Clark-MXR公司的飞秒加工平台。波长775nm。通过测定长度为2mm10mm的光波导的透射率,可以估算处光波导的通光损耗小于0.5dB/cm。对于增益测量,采用514nm氩离子激光器作为泵浦源,产生1054nm连续激光。该放大器对于1014nm的信号光的增益如图13-1所示。(该增益是指泵浦光有无时的信号光功率的比值)

 

 

 

Nd玻璃的荧光光谱显示:1054nm的发射截面是1062nm峰值处的一半,因此可推断对1062nm信号光,该器件在泵浦功率为140mW时,可产生3dB/cm的非饱和增益。

本章参考文献:

1.      K. O. Hill, Y. Fuji, D. J. Johnson, and B. S. Kawasaki, "Photosensitivity in optical fiber waveguides: application to reflection filter fabrication", Appl. Phys. Lett. 32, 647 (1978).

2.      G. Meltz, W. W. Morey, and W. H. Glenn, "Formation of Bragg gratings in optical fibers by transverse holographic method", Opt. Lett. 14, 823 (1989)

3.      M. Svalgaard and M. Kristensen, "Direct-writing of planar waveguide devices using ultraviolet light", OSA Tech. Dig. 17, BTuB2-1, 279 (1997)

4.      US patent RE 37,585

5.      K. Miura, J. Qiu, H. Inouye, and T. Mitsuyu, "Photowritten optical waveguides in various glasses with ultrashort pulse laser", Appl. Phys. Lett. 71, 3329 (1997)

6.      D. Homoelle, S. Wielandy, A. Gaeta, N. F. Borrelli, and C. Smith, "Infrared photosensitivity in silica glasses exposed to femtosecond laser pulses", Opt. Lett. 24, 1311 (1999).

7.      Y. Kondo, K. Nouchi, T. Mitsuyu, M. Watanabe, P.G. Kazansky, and K. Hirao, "Fabrication of long-period fiber gratings by focused irradiation of infrared femtosecond laser pulses", Opt. Lett. 24, 646 (1999)

第十三章       用飞秒脉冲加工过的材料

 

 

 

 

 

简述:超短脉冲对材料的加工(包括局部改变材料的物理化学性质),可以保证不污染材料表面、无熔融区、没有微裂、没有冲击波、没有材料分层、没有对临近结构的损伤;其加工具有高度的可重复性,可用于亚微米精度的加工、还可用于加工透明材料。

附录一 飞秒微加工有关的参考文献

1.        F. Korte, S. Adams, A. Egbert, C. Fallnich, A. Ostendorf, S. Nolte, M. Will, J.-P. Ruske, B. N. Chichkov, A. Tünnermann, "Sub-diffraction limited structuring of solid targets with femtosecond laser pulses," Optics Express. 7, 41-49 (2000).

2.        H. K. Tönshoff, C. Momma, A. Ostendorf, S. Nolte, G. Kamlage, "Microdrilling of metals with ultrashort laser pulses," Jour. of Laser Applic. 12, 23-27 (2000).

3.        X. Chen, X. Liu, "Short pulsed laser machining: How short is short enough?" Jour. of Laser Applic. 11, 268-272 (1999).

4.        M. Mendes, V. Oliveira, R. Vilar, F. Beinhorn, J. Ihlemann, O. Conde, "Femtosecond ultraviolet laser micromachining of Al2O3-TiC ceramics," Jour. of Laser Applic. 11, 211-215 (1999).

5.        S. Nolte, G. Kamlage, T. Bauer, F. Korte, C. Fallnich, A. Ostendorf, F. van Alvensleben, Laser Zentrum Hannover e.V., "Microstructuring with femtosecond lasers," WLT, 15, 2.1 (1999).

6.        J. Ihlemann, P. Simon, G. Marowsky, Laser-Laboratorium Göttingen e.V, "Sub-µm-machining of metallic materials with femtosecond excimer lasers," WLT, 15, 4.1 (1999).

7.        S. Nolte, C. Momma, G. Kamlage, A. Ostendorf, C. Fallnich, F. von Alvensleben, H. Welling, "Polarization effects in ultrashort-pulse laser drilling," Applied Physics A, 563 - 567 (1999).

8.        H. K. Tönshoff, A. Ostendorf, Hannover e.V., "Short laser pulses for material processing=Niche or key technology?" WLT, 15, 1.1 (1999).

9.        J.-X. Zhao, B. Hüttner, A. Menchig, "Micromaching with Ultrashort Laser Pulses," SPIE 3618, 1-8 (1999).

10.      S. Nolte, B.N. Chichkov, H. Welling, "Nanostructuring with spatially localized femtosecond laser pulses," Optics Letters, 24, 914-916 (1999).

11.      J. Staud, W. Groß, A. Menschig, "Miniaturized Sensitive Tools for Automation of Micro-Assembly," Institut für Technische Physik, Pfffenwaldring 38-40, Stuttgart, Germany, Reprint from OPTO'98 Proceedings, Erfurt 1998

12.      M. Lenzner, J. Krüger, S. Sartania, Z. Cheng, Sh. Spielmann, G. Mourou, W. Kautek, F. Krausz, "Femtosecond optical breakdown in Dielectrics," Physical Review Letters, 89, 4076 - 4079, (1998).

13.      B.C. Stuart, P.S. Banks, M. D. Perry, M.D. Feit, R.S. Lee, F. Roeske, J.P. Armstrong, H.T. Nguyen, J. A. Sefcik, "Femtosecond Laser Materials Processing," SPIE, 3269, 57-65, (1998).

14.      M.D. Shirk, P.A. Molian, "A review of ultrashort pulsed laser ablation of materials," Jour. of Laser Applic., 10, 18-28, (1998).

15.      R. Bähnisch, W. Groß, J. Staud, A Menschig, "Femtosecond laser based technology for fast development of micromechanical devices," Sensors and Actuators A," E-MRS (1998).

16.      B, Craig, "Ultrafast pulses promise better processing of fine structures," Laser Focus World, Sept, 79-88, (1998).

17.      C. Momma, S. Nolte, G. Kamlage, F. von Alvensleben, A. Tünnermann, "Beam delivery of femtosecond laser radiation by diffractive optical elements," Appl. Phys. A 76, 517-520 (1998).

18.      T.-H. Her, R. J. Finlay, C. Wu, S. Deliwala, E. Mazur, "Microstructuring of silicon with femtosecond laser pulses," Appl. Phys. Let., 73, 1673-1675 (1998).

19.      P.B. Corkum, "Femtosecond lasers and their implications for materials processing," SPIE, 3274, 10-17 (1998).

20.      A.M. Rubenshik, M.D. Feit, M.D. Perry, J.T. Larson, "Numerical simulation of ultra-short laser pulse energy deposition and bulk transport for materials processing," Elsevier, Applied Surface Science, 127-129 (1990) 193-198.

21.      M.D. Feit, A.M. Rubenshik, B.-M. Kim, L.B. da Silva, M.D. Perry, "Physical Characterization of ultrashort laser pulse drilling of biological tissue," Elsevier, Applied Surface Science, 127-129 (1998) 869-874.

22.      S. Ameer-Beg, W. Perrie, S. Rathbone, J. Wright, W. Weaver, H. Champoux, "Femtosecond laser microstructuring of materials," Elsevier, Applied Surface Science, 127-129 (1998) 875-880.

23.      A. Rosenfeld, D. Ashendasi, H. Varel, M. Wähmer, E.E.B. Campbell, "Time resolved detection of particle removal from dielectrics on femtosecond laser ablation," Elsevier, Applied Surface Science 127-129 (1998) 76-80.

24.      H. Varel, M. Wähmer, A. Rosenfeld, D. Ashendasi, E.E.B. Campbell, "Femtosecond laser ablation of sapphire: time-of-flight analysis of ablation plume," Elsevier, Applied Surface Science 127-129 (1998) 128-133.

25.      W. Kautek, S. Pentzien, P. Rudolph, J. Krüger, E. König, "Laser interaction with coated collagen and cellulose fibre composites: fundamentals of laser cleaning of ancient parchment manuscripts and paper," Elsevier, Applied Surface Science 127-129 (1998) 746-754.

26.      A. Cavalleri, K. Sokolowski-Tinten, J. Bialkowski, D. von der Linde, "Femtosecond laser ablation of gallium arsenide investigated with time-of-flight mass spectroscopy," Elsevier, Appl. Phys. Let., 72, 2385-2387, (1998).

27.      P.A. VanRompay, M. Nantel, P.P. Pronko, "Pulse-contrast effects on energy distributions of C1+ to C4+ ions for high-intensity 100-fs laser-ablation plasmas," Elsevier, Applied Surface Science 127-129 (1998) 1023-1028

28.      T. von Woedtke, P. Abel, J. Krüger, W. Kautek, "Subpicosecond-pulse laser microstructuring for enhanced reproducibility of biosensors," Elsevier, Sensors and Actuators B 42 (1997) 151-156.

29.      X. Liu, D. Du, A.-C. Tien, G. Mourou, "Laser micromachining with ultrafast lasers," Center for Ultrafast Optical Science, The University of Michigan. X. Liu, D. Du, G. Mourou, "Laser Ablation and micromachining with ultrashort laser pulses," IEEE Jour. of Quantum Electronics, 33, 1706-1716 (1997).

30.      P. Dainesi, J. Ihlemann, P. Simon, "Optimization of a beam delivery system for a short-pulse KrF laser used for material ablation," Appl. Optics, 35, 7080-7085 (1997).

31.      X. Liu, G. Mourou, "Ultrashort laser pulses tackle precision machining," Laser Focus World, August (1997). J. Zhao, R. Bähnisch, W. Groß, H. Hüttner, A. Menschig, "Micromachining with ultrashort laser pulses," Deutsches Sentrus für Luft - und Raumfahrt e.V. - German Aerospace Center, (1999).

32.      A. Luft, U. Franz, A Emsermann, J. Kaspar, "A study of thermal and mechanical effects on materials induced by pulsed laser drilling," Applied Physics A 63, 93 - 101 (1996).

33.      J. Krüger, W. Kautek, "Femtosecond pulse visible laser processing of fibre compsite materials," Elsevier, Applied Surface Science 106 (1996) 383-389.

34.      P.P. Promko, P.A. VanRompay, R.K. Signh, F. Qian, D.Du, X. Liu, "Laser induced avalanche ionization and electron-lattice heating of silicon with intense near IR femtosecond pulses," Mat Res. Soc. Symp. Proc., Vol 397, 45-51, (1996).

35.      P. Simon, J. Ihlemann, "Machining of submicro structures on metals and semiconductors by ultrashort UV-laser pulses," Appl. Phys. A 63, 505-508 (1996).

36.      K Lewotsky, "Femtosecond laser can machine micron holes," Laser Focus World, Jan., 22-24, (1996).

37.      P.P. Pronko, S.K. Dutta, D. Du, R.K. Singh, "Thermophysical effects in laser processing of materials with Picosecond and Femtosecond pulses," J. Appl. Phys. 78 (10) 15 Nov. 6233-6240 (1995).

38.      W. Kautek, J. Krüger, "Femtosecond-Pulse laser Microstructuring of Semiconducting Materials," Materials Science Forum v.173-174, 17-22, (1995).

39.      J. Krüger, W. Kautek, "Femtosecond-pulse laser processing of metallic and semiconducting thin films," SPIE 2403, 236-447, (1995).

40.      S. Preuss, M. Stuke, "Subpicosecond ultraviolet laser ablation of diamond: Nonlinear properties at 248nm and time-resolved characterization of ablation dynamics," Appl. Phys. Lett., 76, 338-340, (1995).

41.      P.P. Pronko, S.K. Dutta, J. Squier, J.V. Rudd, D. Du, G. Mourou, "Machining of sub-micron holes using a femtosecond laser at 800 nm," Elsevier, Optics Communications 114, 106-110, (1995).

42.      W. Kautek, J. Krüger, "Femtosecond pulse laser ablation of metallic, semiconducting, ceramic, and biological materials," SPIE, 2207, 600-611, (1994).

43.      S. Preuß, M. Späth, M. Stuke, "Time Resolved Laser Ablation of Polymers and Inorganic Crystals," Elsevier, Microelectronic Engineering 25, 313-320 (1994).

44.      A. Smirl, I. Boyd, T. Boggess, S. Moss, H. van Driel, "Structural changes produced in silicon by intense 1-µm ps pulses," J. Appl Phys. 60 1169-1182 (1986).

45.      B.K.A. Ngoi, K. Venkatakrishnan, L.E.N. Lim, B. Tan, "Submicron micromachining on silicon wafer using femtosecond pulse laser," Jour. of Laser Applications 13, 41-43 (2001).

46.      H. K. Tönshoff, Ostendorf, K. Körber, T. Wagner, "Micromachining of Semiconductors with Femtosecond Lasers," Published on Proceedings of ICALEO 2000, Dearborn (USA). A. Macrinkevicius, S. Juodkazis, "Femtosecond laser-assisted three-dimensional microfabrication in silica," Opt. Lett. 26, 227-279 (2001).

47.      Y. Kondo, J Qiu, T Mitsuyu, K. Hirao, T. Yoko, "Three-Dimensional microdrilling of glass by multiphoton process and chemical etching.

附录二 专有名词解释

Ablation烧蚀

The use of a laser to remove any material by vaporization.

Absorption吸收

The loss of light as it passes through a material, generally due to its conversion to other energy forms (typically heat).

Avalanche Ionization雪崩电离

Free electrons colliding with surrounding atoms, and breaking off more free electrons, create additional free electrons at an exponential rate.

Conductivity

导电性

A material property that is the inverse to its resistance to the flow of electricity.

Defects

缺陷

Faults which cause the material to be unusable for it intended purpose.

Features

风格

While we have yet to create features this small to date in materials, the principle has been demonstrated. See for example patent number RE 3,585.

Free Electrons

自由电子

Electrons in the outer orbit around the nucleus of an atom, they can be moved out of orbit comparatively easily.

Gigawatt

十亿瓦特

Most large nuclear power plants produce Megawatts of average power. This is a lot more energy than an ultrafast laser can produce of average power - which is typically one watt. So it is not necessary to have one thousand nuclear power plants all connected to the ultrafast laser at the same time to operate these ultrafast lasers! In fact, most residential houses have enough electricity to run one. The difference comes from the fact that in a nuclear power plant, power is being delivered continuously, whereas in these ultrafast lasers power is being compressed into pulses that are less than a trillionth of a second in duration.

Heat-Affected Zone (HAZ)热熔融区

It should be noted that under some conditions these effects can be present. The process has a threshold. Below that threshold energy from the laser pulse may be absorbed into the material and converted to heat that will dissipate into the surrounding material. Since the beam profile typically does not have sharp edges, some energy in the beam may be below the threshold for ablation. How much gets into the surrounding material depends on the exact beam shape, its relation to the threshold for ablation and the repetition rate of the laser. Typically, however, some set of conditions can be chosen to minimize these effects. The price for this minimization may be throughput; i.e. how fast material can be removed from the target. In some cases this may be unacceptably slow.

Heat-diffusion time

热扩散时间

All tool bits deposit mechanical energy into the material that is being machined, a portion of which is converted to heat energy. Lasers deposit optical energy into materials that they machine, some of which is also converted to heat energy. This heat energy does not stay localized where it was deposited initially. It moves away in a characteristic time - the so-called "heat diffusion time". This is a familiar phenomenon. If you turn on the heating element on an electric stove, it will take a few seconds to warm-up. The same happens at the microscopic level, but the time scales involved are quite different. The typical "heat-diffusion time" encountered in laser machining is not counted in seconds but rather in picoseconds.

Intensity强度

Flux per unit solid angle.

Ionized

电离

The gain or loss of one or more electrons in an atom, which causes it to carry a negative or a positive charge.

Ions

离子

An atom that has gained or lost one or more electrons, and as a result, carries a positive or a negative charge.

Plasma

等离子体

A plasma is a fourth state of matter well known to physicists but not well known to the layman - the other three states of matter being solid, liquid and gas. A plasma is a loosely bound soup of highly charged atoms and electrons containing so much energy that the forces that hold the material together are obliterated. Ultrafast lasers can produce this state of matter because they pack so many particles of light called photons into so small a time interval that when they interact with the atoms in the surface of the material, they strip as many as 15 electrons off the atom. Physicists call this process multiphoton ionization.

Peak Power峰值功率

The maximum power supplied by a laser pulse.

Picosecond皮秒

A fraction of a second (10-¹²). Abbrieviated as p.

Power Density

功率密度

In laser beam welding or heat treating, the instantaneous laser beam power per unit area. This parameter is key in determining the fusion zone profile (area of base metal melted) on a workpiece.

Recast Layer

重铸层

Molten metal which forms a layer of debris on the surface of the material during picosecond machining.

Slag

熔渣

The unwanted material that is removed from metal when it is heated to a liquid state.

Stent

支撑器

A device placed in a body structure, such as a blood vessel or the gastrointestinal tract, to provide support and to keep the structure open.

Terawatt太瓦

A unit or power equal to one trillion watts.

Threshold

阈值

So far we have talked only about ablation of materials. There are other processes that are more generally defined as 'physical and/or chemical changes in the structure of materials' that have properties that are similar to those associated with ablation - but differing thresholds. For example, it is possible to locally change the index of refraction of materials at the focus of an ultrafast laser beam, inside the bulk of the material (see our section on waveguides). This can have very useful consequences for the creation of devices used in telecommunication networks.

Ultrafast

超快

As it relates to micromachining, a laser capable of generating light pulses that last only a few femtoseconds. This can be achieved by nonlinear filtering to increase bandwidth and compress the pulse or by passive mode-locking or synchronous pumping in conjunction with pulse-shaping techniques.

Ultrashort超短

See "Ultrafast."

 

 

第十四章       结论

 

种类

材料名称

陶瓷(Ceramics

氧化铝,又称矾土(Alumina

氮化硅(Silicon Nitride

热保护膜(Thermal Barrier Coating

电介质(Dielectrics

金刚石(Diamond

玻璃(Glass

氟化镁MgF2 (Magnesium Fluoride)

金属(Metals

/ 玻璃(Chromium/Glass

铜(Copper

瓷釉(Enamel

不胀钢,铁、镍合金(INVAR (Iron/Nickel Alloy)

镍的超级聚合物N5 (Nickel-based Super Alloy)

/ Nickel/Polymide

铼(Rhenium

不锈钢(Stainless Steel

钼(Molybdenum

铂(Platinum

金(Gold

黄铜(Brass

半导体(Semiconductors

砷化镓GaAsGallium Arsenide

硅(Silicon

其它(Other 

有机玻璃( Polymethylsiloxine

特氟纶(Teflon

 

 

 

        13-1 小信号增益与泵浦功率的关系

 

12-2 超短脉冲在透明材料中加工的波动图示(注意:附加给波导的颜色只是为了方便读者看清楚,实际上在波导中的散射损耗非常的小,故光束通过波导时并没有颜色)。