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浅析超短脉冲激光微纳加工技术

2013-05-16 14:33
老猫
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  1  前言

  随着激光技术的发展,激光器件向着超短脉冲、超高强度、超短波长的方向迈进,这给激光材料加工带来了革命性的进步。近年来超短脉冲激光精密加工越来越得到人们的关注。这主要体现在超短脉冲激光加工可以得到高于长脉冲激光加工的精度,最高可以达到亚微米甚至纳米。另外超短脉冲激光除了可以进行材料表面的加工,还能够实现对透明材料内部的加工与改性。适用于其他加工方法无法实现的高精度、复杂形状元器件的加工,实现真三维、可设计、可集成。超短脉冲激光的瞬间功率极大,可以和几乎任何材料相互作用,因而可用于激光加工的材料几乎不受限制。对于超硬、易碎、高熔点、易爆等材料的加工,更具有其他方法无法匹敌的优势。

  这里的超短脉冲激光微细加工技术指的是利用超短脉冲激光(脉冲宽度在皮秒至飞秒量级,10-12~10-15s) 对材料的显微加工、精密裁切以及微观改性。这里的3个术语定义如下:显微加工指的是对样品材料的精密去除;精密裁切指的是用激光将样品材料裁切成微纳尺度的特征形状;微观改性指的是利用激光改变样品材料特定微观区域的物理化学性能。这3个术语既相互独立又紧密相连,有时在微观改性的同时也伴随着样品材料的精密去除,而显微加工是精密裁切的基础。我们把上述术语统称为超短脉冲激光微纳加工。

  2  超短脉冲激光微纳加工分类

  从材料的性能变化来说,超短脉冲激光微纳加工可以分为表面形貌、折射率、离子价态、相态、缺陷态、晶态、化学键以及能带结构等的修饰与调控。在超短脉冲激光加工过程中,有时是单一的性能修饰,有时是多项性能的修饰同时发生。现举例说明。

  图1为超短脉冲激光诱导的6种材料性能转变。(a)为在金属表面形成的亚波长周期结构。其周期从入射激光波长尺度到入射波长的1/10,为制备纳米尺度周期结构提供了一种全新的途径。(b)为波导结构。超短脉冲激光可以在透明材料内部诱导折射率改变,写入二维、三维的波导结构及器件,如分束器、衍射光栅、阵列波导光栅、波导激光器等。(c)为在晶体内部诱导的缺陷结构,即色心。在诸如半导体、发光、信息存储、色心激光等技术领域有着广泛的应用。(d)为离子价态变化。在金属离子或稀土离子掺杂的玻璃内部,使得掺杂离子的价态发生改变,诱导出具有特殊功能的复合材料,实现特定的线性、非线性光学性能。(e)为晶态变化。超短脉冲激光辐照非晶态的玻璃材料可以在辐照区域析出晶体相,或者超短脉冲激光辐照晶体材料,在激光辐照区域可以从一种晶态向另一种晶态转化,为制备不同晶态的集成器件提供了新途径。(f)为半导体带隙变化。通过超短脉冲激光半导体硅,改变其能带结构。经处理的硅具有吸收光谱宽以及光谱响应速度快的特点,在太阳能电池以及光电探测器方面具有极大的应用前景。

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