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谈飞秒激光加工的优与劣 紫外/矢量/涡旋光场提供新思路

激光被誉为20世纪最伟大的发明之一,随着三次工业革命的结束,激光将是引领第四次工业革命的关键。激光的出现大大地推动了产业的发展。激光以其功率大、易聚焦、高亮度、方向性好等优点,在机械加工中已经成为最先进、应用最广泛的一种手段。激光加工精度高、速度快、成本低,可以由计算机编程实现自动控制,加工形状复杂的结构,并且由于是非接触加工,不会损坏材料,安全可靠。

激光加工的分类和各自特点

根据激光与物质相互作用的机理,激光加工可分为两大类:激光热加工和非热加工。热加工和非热加工通常使用的激光类型是不同的,热加工通常使用的是长脉冲激光或连续激光,非热加工通常使用的是皮秒、飞秒等超短脉冲激光。

激光热加工利用激光照射材料过程中产生的热效应,被照射材料的分子体系需要不断地从照射激光获取能量转化为自身的内能,被照射区域的温度急剧升高,达到材料的熔点和沸点,发生融化、去除,达到加工目的。由于激光的能量转化为分子体系的内能需要的时间较长,因此热加工常用长脉冲激光。这一加工方法简单直接,已广泛用于工业制造,如激光切割、激光增材制造等。但由于加工过程中存在不可避免的热扩散,限制了激光热加工的精度和粗糙度。

非热加工则是利用由材料电子体系扰动引起的非线性效应(如非线性电离、表面散射等),通过电子吸收光子发生跃迁和电离,诱导材料的物理、化学性质发生改变,从而导致一些新颖效应的产生(如双光子聚合、激光自组装等),利用这些新颖的效应达到提高加工精度、优化加工方法的目的。由于电子体系和激光的能量交换可以在瞬间完成,因此非热加工常用超短脉冲激光。这种加工方法精度较高,加工手段多样,是目前激光加工领域的研究热点之一。

传统飞秒激光加工的优势和不足

超高的峰值功率和超短的脉冲持续时间是飞秒激光的两个主要优势。超高的峰值功率使其足以诱导材料产生多种多样的非线性效应,丰富了激光加工的方法。而超快的时间特性也使得飞秒激光与材料相互作用的过程非常短暂,激光辐照区域吸收的光能量甚至来不及传递到其他区域,确保激光能量可以精准地沉积在辐照范围内,实现超精细加工。

目前,飞秒激光已经广泛用于微纳加工领域,主要有激光直写和激光掩膜两种方法。然而,由于加工系统存在衍射极限,使得激光辐照区域不可能无限制的缩小,限制了加工精度的进一步提高。同时由于不同材料的非线性特征不同,使得飞秒激光加工对材料有着强烈的依赖性,同一加工方法对于不同材料往往表现出不同的加工效果。

紫外飞秒激光加工的优势

随着现代工业的发展,对加工精度的要求不断提高,而影响激光加工精度的主要因素之一就是加工系统的衍射极限。衍射极限是描述一个光学系统成像或加工精度的物理参数,衍射极限越小则加工精度越高。通常,衍射极限是与入射光的波长成正比的,因此减小激光波长便成为提高衍射极限最直接、有效的手段,比如当前工业中大规模使用的紫外光刻技术就是通过减小激光波长来提高加工精度的。

紫外激光指的是波长小于380nm的激光,相比于目前飞秒激光常用的波长(主要在可见光波段,380nm-760nm),紫外飞秒激光的加工精度更高。同时,由于紫外飞秒激光的波长短,单光子的能量很大,光子可以直接切断分子或原子的结合键,实质属于光化学反应,基本没有融化现象,从而限制了热效应的影响。另一方面,紫外波段是许多聚合物的敏感波段,如光刻胶等。这些聚合物在紫外飞秒激光的照射下会发生双光子聚合效应,使流动的胶体聚合成为机械强度较高的固体,加工过后再将光刻胶洗去,便可以得到所要的结构。利用这一原理可以进行超精细的三维结构加工。

矢量、涡旋光场飞秒加工的特点和优势

传统的飞秒激光加工主要关注的是激光的能量特征,利用飞秒激光光场的超高能量诱导材料的非线性效应,以达到加工的目的。在光与物质相互作用的过程中,不仅存在能量的吸收,更存在动量的交换,这意味着新型的激光模式在飞秒加工领域更能发挥其优势。

矢量、涡旋光场是两种最典型的新型激光模式,其偏振、相位的空间拓扑特性使得光场具有一些特殊的物理性质。比如,矢量光场可以会聚为超衍射极限的焦斑,尺寸更小,因此加工精度更高。另一方面,光场自身携带的光子角动量能与物质进行动量交换。例如,具有螺旋状相位结构的涡旋光场则携带光子轨道角动量,驱动微粒绕固定轴转动;左旋或右旋圆偏振光携带光子自旋角动量,可以诱导微粒自转;偏振态随空间位置变化的矢量光场则可以表现出角动量之间的相互作用。同样,矢量、涡旋光场的动量特性也可以用于飞秒激光加工领域,例如使用涡旋光场诱导手性结构、利用矢量光场诱导复杂的花纹图案等。

相较于传统的飞秒激光加工,时空特性可控的高功率紫外激光系统产生的矢量、涡旋光场飞秒激光加工使得加工结构多样化、复杂化。通过设计光场的相位、偏振态分布,可以得到各式各样表面图案甚至复杂的三维拓扑结构。利用飞秒激光脉冲整形技术结合空间光调制技术、时空聚焦技术等对超快激光脉冲时域以及频域进行调制,实现在不同材料内部的三维微纳加工和实际应用,这些技术有望在新型集成光学和微纳光学中发挥重要的作用。

紫外、矢量、涡旋飞秒光场的优势和潜在应用

随着产业的不断发展,传统的飞秒激光加工技术难以满足日益增长的工业需求,必须对其进行发展和优化。紫外飞秒激光加工技术是提高加工精度的有效途径,在工业制造方面有着巨大的应用价值。矢量、涡旋光场飞秒激光加工技术改变了传统的单一的加工模式,使得激光加工更加灵活多样。此外,紫外矢量、涡旋飞秒激光加工技术也是对光与物质相互作用理论的实践和验证,有助于揭示更深层的物理机制,有着积极的科研意义。

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