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飛秒激光微納加工技術(shù)利用了飛秒激光超短的脈沖寬度、較強(qiáng)的功率密度和較高的激光頻率等加工特點(diǎn)，這種加工技術(shù)是在非常短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量超高壓力和超高溫度的等離子體而造成被加工材料的局域性微爆炸，進(jìn)而完成對(duì)被加工材料進(jìn)行準(zhǔn)確燒蝕去除的微納加工方法。當(dāng)超短脈沖激光與材料作用時(shí)，其具有熱作用區(qū)域小、激光分辨率高、能夠突破激光衍射的較高效應(yīng)等特點(diǎn)。另外，超短脈沖激光與材料相互作用的時(shí)間非常短，其加工過(guò)程中的熱影響效應(yīng)能夠被有效削弱，因此，人們對(duì)飛秒激光微納燒蝕石英玻璃等透明電介質(zhì)材料進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

石英材料在分子結(jié)構(gòu)層面上是一種長(zhǎng)程無(wú)序和短程有序的狀態(tài)，故其熱膨脹系數(shù)較低, 并表現(xiàn)出較好的高溫環(huán)境條件下的應(yīng)用性能，進(jìn)而被大量應(yīng)用于激光武器、光學(xué)系統(tǒng)和激光核聚變等領(lǐng)域。在上述應(yīng)用過(guò)程中，較多領(lǐng)域涉及制備石英玻璃微特征，但石英玻璃的硬度較高且容易碎裂，傳統(tǒng)的制造方法較難對(duì)復(fù)雜特征進(jìn)行微納去除加工，而由于超短脈沖激光具有十分獨(dú)特的加工特點(diǎn)，因此便找到一種加工石英玻璃微特征件及微結(jié)構(gòu)件的燒蝕方法。作者基于飛秒激光燒蝕透明電介質(zhì)材料的作用去除機(jī)理，根據(jù)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，對(duì)飛秒激光燒蝕減薄石英玻璃進(jìn)行綜述。

1.   飛秒激光燒蝕透明電介質(zhì)機(jī)理

飛秒激光燒蝕石英玻璃等透明電介質(zhì)材料是一種非線性電離機(jī)制，主要表現(xiàn)為雪崩電離和多光子電離，電介質(zhì)材料中的自由電子主要通過(guò)上述兩種機(jī)制來(lái)吸收入射激光能量，當(dāng)材料導(dǎo)帶中的自由電子密度超出其臨界自由電子密度時(shí)，便會(huì)造成電介質(zhì)材料的損傷, 從而達(dá)到去除的目的。

1.1   雪崩電離機(jī)制

玻璃材料內(nèi)種子自由電子的數(shù)量非常少，但這種種子自由電子可以連續(xù)地吸收入射激光光子能量，從而具備特定的動(dòng)能，這屬于自由載流子吸收，如圖 1a所示。當(dāng)種子自由電子的動(dòng)能超出電介質(zhì)材料的禁帶寬度時(shí)，材料中的束縛電子會(huì)與種子自由電子產(chǎn)生碰撞而被電離到導(dǎo)帶，這屬于碰撞電離，如圖 1b所示。在激光能量較高的情況下，通過(guò)碰撞電離產(chǎn)生的新種子自由電子將會(huì)持續(xù)碰撞材料內(nèi)部的其它束縛電子，這會(huì)激發(fā)出數(shù)量更多的自由電子，并使其數(shù)目表現(xiàn)出指數(shù)式的增長(zhǎng)規(guī)律，這屬于雪崩電離。

圖 1  雪崩電離示意圖

a—自由載流子吸收 b—碰撞電離

Figure 1.  Schematic of avalanche ionization process

a—free carrier absorption  b—impact ionization

為準(zhǔn)確描述雪崩電離機(jī)制，一般采用Thornber雪崩電離系數(shù)α(E)來(lái)描述碰撞電離速率與電場(chǎng)強(qiáng)度之間的變化規(guī)律：

式中, E為電場(chǎng)強(qiáng)度，Δ為禁帶寬度，e為電子電荷，Et為載流子克服熱散射所需的場(chǎng)強(qiáng)，Ep為克服光學(xué)聲子散射所需的場(chǎng)強(qiáng)，Ei為克服電離散射所需的場(chǎng)強(qiáng)。

1.2   多光子電離機(jī)制

石英玻璃的禁帶寬度一般比超短脈沖激光的單光子能量大，使得石英玻璃等電介質(zhì)材料對(duì)入射激光能量的吸收效率較低，進(jìn)而導(dǎo)致這種材料較難吸收單個(gè)光子能量。在超短脈沖激光的能量密度以及光子簡(jiǎn)并度較高的條件下，材料中的束縛電子同時(shí)吸收多個(gè)光子能量的效率將顯著增加。當(dāng)束縛電子在吸收激光能量后所具有的動(dòng)能超出電介質(zhì)的禁帶寬度時(shí)，其會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶成為自由電子，這屬于多光子電離，如圖 2所示。其中Ephoton表示入射光子能量。

圖 2  多光子電離示意圖

Figure 2.  Schematic of multiphoton ionization process

為準(zhǔn)確表征多光子電離機(jī)制，一般采用Keldysh光致電離系數(shù)WPI(E)來(lái)描述其與電場(chǎng)強(qiáng)度之間的變化規(guī)律:

式中, ω為激光頻率，?為普朗克常數(shù)，m為空穴對(duì)有效質(zhì)量，N為一個(gè)束縛電子被電離時(shí)所吸收的光子數(shù)目，Φ(·)為Dawson積分，U=Δ-e2E2/(4mω2)。

多光子電離機(jī)制和雪崩電離機(jī)制有相似之處，兩種機(jī)制都是一種非線性電離機(jī)制。在激光能量密度較高時(shí)，多光子電離機(jī)制占主導(dǎo)地位；在激光能量密度較低時(shí)，雪崩電離過(guò)程也可發(fā)生。因此，雪崩電離機(jī)制的激發(fā)條件范圍更廣，而多光子電離機(jī)制的激發(fā)條件相對(duì)更嚴(yán)格，但兩種電離機(jī)制的主導(dǎo)地位在飛秒脈沖的脈寬區(qū)間內(nèi)是能夠進(jìn)行過(guò)渡轉(zhuǎn)換的。

2.   飛秒激光燒蝕減薄石英玻璃微特征

飛秒激光微納加工石英玻璃等透明電介質(zhì)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛用于制備微流道、微透鏡、光存儲(chǔ)、光柵和光波導(dǎo)等微結(jié)構(gòu)，以及制備燒蝕點(diǎn)、燒蝕線和燒蝕面等微特征。此外，激光精密減薄石英玻璃是基于點(diǎn)、線、面激光燒蝕工藝的精密逐層去除，因此主要對(duì)燒蝕點(diǎn)、線、面減薄技術(shù)進(jìn)行研究和分析。

2.1   燒蝕點(diǎn)減薄

飛秒激光誘導(dǎo)燒蝕點(diǎn)是燒蝕線和燒蝕面減薄的基礎(chǔ)，已被廣泛研究和應(yīng)用。NIETO等人利用飛秒、皮秒和納秒不同脈沖寬度激光在硼硅酸鹽玻璃、石英玻璃、藍(lán)寶石和鈉鈣玻璃基材上進(jìn)行燒蝕點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，如圖 3所示。研究表明，脈沖寬度差異將導(dǎo)致燒蝕特征的明顯不同，并且飛秒激光燒蝕不會(huì)出現(xiàn)皮秒和納秒激光燒蝕產(chǎn)生的較大熱影響區(qū)。YAN等人研究飛秒激光脈沖能量對(duì)石英玻璃熱影響區(qū)的影響規(guī)律，當(dāng)脈沖能量低于1 μJ時(shí)，燒蝕點(diǎn)直徑小于4 μm，此時(shí)熱影響區(qū)不明顯。VARKENTINA等人在激光波長(zhǎng)1030 nm、脈沖寬度390 fs條件下，通過(guò)改變脈沖數(shù)量和光強(qiáng)度對(duì)燒蝕點(diǎn)加工質(zhì)量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光強(qiáng)度超過(guò)5.2 TW/cm2時(shí)，燒蝕點(diǎn)周圍濺射碎片較少，微特征質(zhì)量較好。RUEDA等人通過(guò)調(diào)整激光波長(zhǎng)和單脈沖能量對(duì)石英玻璃燒蝕點(diǎn)直徑進(jìn)行了研究，同時(shí)分析了燒蝕點(diǎn)對(duì)折射率的影響規(guī)律。

圖 3  單脈沖激光不同脈沖寬度下的燒蝕點(diǎn)微特征

Figure 3.  Characteristics of ablation spots under different duration of single-pulse

飛秒激光燒蝕點(diǎn)減薄過(guò)程中，可誘導(dǎo)制備周期性微特征。GR?F等人利用脈沖寬度300 fs、波長(zhǎng)1025 nm、頻率1 kHz飛秒激光在石英玻璃表面誘導(dǎo)燒蝕點(diǎn)周期性微特征，如圖 4所示。結(jié)果表明，周期性微特征空間頻率與能量密度呈現(xiàn)相關(guān)性，且發(fā)現(xiàn)高頻周期微特征一般與線偏振電場(chǎng)方向垂直，而低頻周期微特征則與電場(chǎng)方向平行。KUNZ等人采用不同能量密度誘導(dǎo)周期性微特征時(shí)，發(fā)現(xiàn)燒蝕點(diǎn)中心區(qū)域呈現(xiàn)出低頻周期微特征，而燒蝕點(diǎn)周圍為高頻周期微特征，其認(rèn)為這與高斯形狀的脈沖能量分布有關(guān)。XU等人對(duì)比研究了在空氣和真空兩種不同環(huán)境下高、低頻周期微特征的差異性，并基于流體原理分析差異產(chǎn)生的原因。CHEN等人在能量密度2.8 J/cm2和掃描速率3.1 mm/s條件下誘導(dǎo)出周期為715 nm的低頻周期微特征，分析認(rèn)為: 采用柱面透鏡誘導(dǎo)出的微特征比采用球面透鏡的更具周期性規(guī)律。

圖 4  不同能量密度F和基材溫度Ts下燒蝕點(diǎn)周期微特征

Figure 4.  Periodic characteristics under different densities F and temperatures Ts

針對(duì)亞波長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，研究者提出了多種理論，但普遍認(rèn)為這主要是由于入射激光與等離激元波相互干涉產(chǎn)生的。對(duì)于透明電介質(zhì)材料，當(dāng)激光與物質(zhì)表面相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)特征而導(dǎo)致物化性質(zhì)的變化，進(jìn)而使得入射飛秒激光能量在空間層面呈現(xiàn)出周期性規(guī)律。超短脈沖激光與等離激元波的耦合效率在脈沖數(shù)量增大的條件下會(huì)顯著增強(qiáng)，并最終造成亞波長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。

2.2   燒蝕線減薄

基于燒蝕點(diǎn)微特征研究燒蝕線微特征是飛秒激光精密減薄石英玻璃的重要環(huán)節(jié)，并將對(duì)后續(xù)燒蝕面微特征加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。JIAN等人研究了重復(fù)頻率f、激光功率P、掃描速率v和掃描次數(shù)n對(duì)燒蝕線表面形貌的影響規(guī)律，如圖 5所示。得到在脈寬290 fs和波長(zhǎng)343 nm條件下，激光加工的較優(yōu)參數(shù)為：f=250 kHz、P=1.5 W、v=100 mm/s。MA?ERNYTé等人對(duì)比分析了玻璃在空氣中和KOH溶液中燒蝕線微特征加工質(zhì)量的不同，并發(fā)現(xiàn)在KOH溶液中的微特征邊緣未見(jiàn)明顯的燒蝕沉積物。SUN等人[63]分別在常溫、400 ℃和800 ℃條件下研究溫度對(duì)石英玻璃燒蝕微特征表面粗糙度的影響機(jī)理，研究表明，溫度升高將導(dǎo)致材料晶粒減小，進(jìn)而使得表面粗糙度降低，微特征加工質(zhì)量提高。

圖 5  激光參數(shù)對(duì)燒蝕線微特征的影響規(guī)律

Figure 5.  Influence of laser parameters on groove morphology

飛秒激光誘導(dǎo)選擇性蝕刻(femtosecond laser induced selective etching, FLISE)技術(shù)被QI等人進(jìn)行了研究，該技術(shù)可基于燒蝕線減薄工藝制備微流道或光波導(dǎo)等微結(jié)構(gòu)，其主要通過(guò)控制重復(fù)頻率Rrep和脈沖間隔TPI來(lái)達(dá)到選擇性蝕刻的目的，如圖 6所示。結(jié)果表明，當(dāng)重復(fù)頻率接近1 MHz時(shí)，材料的局部燒蝕熱熔和重結(jié)晶玻璃化將顯著抑制選擇性蝕刻速率。GAUDIUSO等人認(rèn)為可用單點(diǎn)平均脈沖數(shù)量(pulses per spot, PPS)來(lái)綜合表征移動(dòng)速度和重復(fù)頻率的影響，并分別在PPS為48和96情況下分析了燒蝕線特征微裂紋和微劃痕的產(chǎn)生機(jī)理。MOUSKEFTARAS等人設(shè)計(jì)了一種雙光束激光系統(tǒng)來(lái)提高微特征蝕刻速率，并與單光束蝕刻速率進(jìn)行對(duì)比, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙光束蝕刻速率明顯高于單光束，且燒蝕質(zhì)量有所提高。MICHELE等人采用1030 nm近紅外波長(zhǎng)和343 nm紫外波長(zhǎng)飛秒激光制備光波導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)紫外波長(zhǎng)激光蝕刻效率優(yōu)于近紅外波長(zhǎng)。參考文獻(xiàn)中主要研究的是低脈沖能量燒蝕，其將導(dǎo)致材料各向同性的正折射率變化，而高功率燒蝕屬于高脈沖能量燒蝕，其將導(dǎo)致材料產(chǎn)生負(fù)折射率變化。

圖 6  飛秒激光選擇性蝕刻微特征

Figure 6.  Selectively etched microchannels by femtosecond laser

2.3   燒蝕面減薄

飛秒激光燒蝕面減薄應(yīng)基于燒蝕點(diǎn)和燒蝕面減薄優(yōu)化后的工藝參數(shù)，并通過(guò)控制離焦量、掃描路徑、重疊率等參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)石英玻璃的精密減薄去除。SCHWARZ等人利用脈寬230 fs、波長(zhǎng)515 nm激光，研究激光離焦量Δz在0.25 μm~0.50 μm范圍內(nèi)燒蝕面特征的變化規(guī)律。由圖 7a可以看出，只有當(dāng)Δz在0.25 μm~0.35 μm范圍時(shí)，燒蝕底部保持平整；當(dāng)Δz超過(guò)0.4 μm時(shí)，底部燒蝕質(zhì)量變差。此外，由圖 7b可知，燒蝕深度在Δz=0.40 μm時(shí)達(dá)到較大值，而Δz從0.25 μm增大到0.50 μm時(shí)，表面粗糙度Ra整體上呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；從圖 7c中同樣可得Δz=0.4 μm時(shí)的燒蝕面Ra較Δz=0.35 μm的大。

圖 7  離焦量Δz對(duì)燒蝕面的影響

a—橫截面圖 b—燒蝕深度和表面粗糙度測(cè)量值 c—掃描電鏡形貌

Figure 7.  Influence of focus adjustment Δz

a—cross section  b—measured ablation depth and roughness  c—scanning electron microscope images

XU等人在掃描速率1 mm/min、激光能量50 mW和光斑直徑15 μm不變的條件下，在石英玻璃上制備出180 μm× 200 μm的燒蝕面，如圖 8所示。可以看出，在燒蝕面表面出現(xiàn)微溝槽，并隨著偏移距離增大，微溝槽周期性間距增大，從而導(dǎo)致表面粗糙度Ra增大。

圖 8  不同偏移距離的燒蝕面

Figure 8.  Ablation surfaces of different offset distances

WU等人由實(shí)驗(yàn)得到燒蝕線減薄優(yōu)化后的工藝參數(shù)為: 脈沖能量8 μJ，掃描速率0.2 mm/s，實(shí)驗(yàn)制備出1200 μm×260 μm的燒蝕面，如圖 9所示，線重疊率δ分別為40%、60%和80%。結(jié)果顯示，燒蝕面條紋間距隨δ增大而減小，這使得表面粗糙度Ra也相應(yīng)減小；當(dāng)δ=80%時(shí), 幾乎觀察不到明顯條紋結(jié)構(gòu)，如圖 9c所示。

圖 9  不同線重疊率燒蝕面形貌

Figure 9.  Ablation morphology of different overlap rates

QUESTE等人微納加工出長(zhǎng)×寬×高= 4000 μm×100 μm×140 μm帶儲(chǔ)液槽的微流道，如圖 10a所示。該結(jié)構(gòu)通過(guò)先燒蝕微流道再燒蝕儲(chǔ)液槽的工藝方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中所采用激光參數(shù)為: 脈寬120 fs，重復(fù)頻率5 kHz；微流道末端儲(chǔ)液槽側(cè)壁角為80°~85°，微流道底面粗糙度Ra為100 nm~150 nm。

圖 10  飛秒激光減薄制備微特征

a—帶儲(chǔ)液槽的微流道 b—平底面微流道 c—局部放大圖 d—底面放大圖

Figure 10.  Femtosecond laser ablation microfeatures

a—channel with reservoir  b—flat bottom channel  c—close-up of the channel  d—close-up of the channel bottom

2.4   微功能結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用

2.4.1   微透鏡

微透鏡的常見(jiàn)基本應(yīng)用是成像，其它應(yīng)用還包括光束的整形和準(zhǔn)直等，單個(gè)微透鏡可通過(guò)將光信號(hào)和光纖進(jìn)行耦合來(lái)達(dá)到功能上的組合集成。CHEN等人通過(guò)飛秒激光在石英玻璃表面先加工出正方形和正六邊形的陣列特征，然后使用一定濃度的氫氟酸溶液進(jìn)行腐蝕，最終制備加工出形狀規(guī)則的正多邊形微凹透鏡陣列，如圖 11所示。DENG等人利用腐蝕作用和飛秒激光相結(jié)合的方法，在玻璃的兩個(gè)表面上均制備出微凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)，這種陣列結(jié)構(gòu)可以用來(lái)對(duì)光束進(jìn)行均勻化處理。

圖 11  微透鏡的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖像

a—正方形陣列 b—六邊形陣列

Figure 11.  Field emission scanning electron microscope image of microlens

a—square array  b—hexagonal array

2.4.2   光纖光柵

光纖內(nèi)部或其表面加工有光柵的光纖稱為光纖光柵。傳統(tǒng)的激光干涉方法制備出的光柵周期是固定的，且加工精度不高；飛秒激光可以實(shí)現(xiàn)在光纖內(nèi)部空間或光纖表面位置進(jìn)行加工去除，其空間分辨率高，光柵周期可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率、溫度、扭矩和彎矩等多種物理參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)量。LI等人通過(guò)飛秒激光能夠進(jìn)行逐點(diǎn)燒蝕的方法，在光纖內(nèi)部空間范圍內(nèi)制備出長(zhǎng)周期的光柵結(jié)構(gòu)，如圖 12所示。此種微結(jié)構(gòu)能夠在高溫傳感領(lǐng)域應(yīng)用，且具有較高靈敏度和較好穩(wěn)定性。CUI等人在錐形結(jié)構(gòu)的光纖中制備了布喇格光柵，這種光柵可用于彎矩和曲率變化較小的檢測(cè)等集成系統(tǒng)領(lǐng)域。

圖 12  光纖光柵微結(jié)構(gòu)

Figure 12.  Microstructure of fiber grating

2.4.3   微腔結(jié)構(gòu)

微腔結(jié)構(gòu)是尺寸在微米或亞微米量級(jí)的圓盤微結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于光學(xué)信號(hào)的變換、非線性光學(xué)系統(tǒng)以及測(cè)控傳感系統(tǒng)等。LIN等人利用超短脈沖激光直寫和腐蝕作用組合的方式，在石英玻璃上制備了Q值較高的3維空間環(huán)形微腔結(jié)構(gòu)，如圖 13所示。這種微腔結(jié)構(gòu)屬于無(wú)源器件，并能夠在結(jié)構(gòu)表面涂覆增益介質(zhì)，從而可用來(lái)提高系統(tǒng)的光學(xué)輸出特性。

圖 13  不同高度的環(huán)形微腔

Figure 13.  Annular microcavities of different heights

注明 文章來(lái)源 激光技術(shù)網(wǎng) http://www.jgjs.net.cn/cn/article/doi/10.7510/jgjs.issn.100