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飛秒激光應用
來源: | 作者:pmo17d5f4 | 發布時間: 2017-01-03 | 6785 次瀏覽 | 分享到:

飛秒激光應用 

    超短、超強和高聚焦能力是飛秒激光的3大特點。 飛秒激光脈寬可短至4 fs(1fs=10-15 s)以內,峰值 功率高達拍瓦量級(1Pw=1015w)聚焦功率密度達到1020-1022Wcm2。飛秒激光可以將其能量全部、快速、準確地集中在限定的作用區域,實現對玻璃、陶瓷、半導體、塑料、聚合物、樹脂等材料的微納尺寸加工,具有其它激光加工無法比擬的優勢:耗能低,無熱熔區,""加工;可加工的材料廣泛:從金屬到非金屬再到生物細胞組織,甚至是細胞內的線粒體;高精度、高質量、高分辨率,加工區域可小于焦斑尺寸,突破衍射極限;對環境沒有特殊要求,無污染。飛秒激光微加工是當今世界激光、光電行業中極為引人注目的前沿研究方向。世界各國學者在飛秒激光與材料相互作用機理研究方面已取得重大的進展,開發出以鈦寶石激光器為主的飛秒激光微加工系統,開展了飛秒激光微納加工的工藝研究,促進了多學科的融合,推動著飛秒激光微納加工技術向著低成本、高可靠性、多用途、產業化的方向發展。飛秒激光微加工技術將在超高速光通訊、強場科學、納米科學、生物醫學等領域具有廣泛的應用和潛在的市場前景。本文旨在綜述飛秒激光微加工技術國內外的研究狀況,介紹飛秒激光微加工的重要應用,展望其今后的發展趨勢。

 

1 飛秒激光微加工系統的發展現狀
   
   
飛秒激光出現以來,啁啾脈沖放大、以鈦寶石晶體為主的增益介質、克爾透鏡鎖模。和半導體可飽和吸收鏡等技術促使著它從染料激光器發展到自啟動克爾透鏡鎖模激光器,以及后來的二極管泵浦全固態飛秒激光器和飛秒光纖激光器。為滿足科研和生產進一步發展的要求,國內外學者仍然致力于飛秒激光器研究,紛紛搭建起微加工系統。飛秒激光系統由振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器4部分組成。表1是近年來國內外最具有代表性的飛秒激光器、微加工系統。從表l可以看出:輸出脈寬大約幾百飛秒,真正短到幾飛秒的甚少,因而平均功率較低,限制了它在商業中的應用,生產效率較低;工作穩定性提高,壽命延長,如暢銷全球的CPA-21××系列的種子光有20年的平均無故障時間;實現MHz的重復頻率輸出;可調諧波長范圍變廣,加工精度、光束質量較高;利用它的超快特性,逐漸實現三維精細加工。但飛秒激光系統在小型化、可調可控性、實用性、全光纖等方面還有很大的發展空間。

 

飛秒激光加工微結構
   
   
基于能量高度集中、熱影響區小、無飛濺無熔渣、不需特殊的氣體環境、無后續工藝、雙光子聚合加工精度可達07μm等優勢,飛秒激光在誘導金屬微結構加工應用方面和精細加工方面都取得了很大的進展。
   
   (1)
孔加工在1mm厚的不銹鋼薄片上,飛秒激光進行了具有深孔邊緣清晰、表面干凈等特點的納米級深孔加工;在金屬薄膜上,鈦寶石飛秒激光加工制備出了微納米級陣列孔,孔徑最小達2.5μm,孔直徑在2510μm間可調,最小間距可達10μm,很容易實現10-50μm間距調整。

 

 

2 光通信領域
   
   
光通信的高速率、大容量和寬帶寬的發展方向,要求光電器件的高度集成化。而集成化的前提是光電器件的微型化。因此,光電器件的微型化是當前光通信領域研究的前沿和熱點。近年來,相比傳統的光電技術,飛秒激光微加工技術將成為新一代光電器件的制造技術。國內外學者在光波導的制備技術等諸多方面進行了有益的探索,取得了很大的進展。
   
   (1)
光波導的制備光波導易于和光纖通信系統耦合且損耗小,在頻域中呈現出豐富的傳輸特性,成為光纖器件的研究熱點。與離子注入法和熱擴散型離子交換法等目前常用的制作方法相比,飛秒激光制作波導在室溫環境下進行,過程簡單,波導結構在高溫時仍能保持良好的質量和穩定性。美國學者用飛秒激光 制備的增益光波導長1 cm,可產生3 dBcm的信號增益。大阪大學的WatanabeW等用85 fs、重復 頻率l kHz、單脈沖能量15 μJ的鈦藍寶石激光制作 的多模干涉波導陣列,實現了高階模輸出。目前,利用計算機精密控制飛秒激光加工平臺,可以在材 料內部的任意位置制得任意形狀的二維、三維或單模光波導。
   
    (2)
光柵的制備光柵在光通訊、色散補償、光纖傳感等領域中發揮著不可替代的作用。光產業的發展,對光柵提出了更高的要求:不同幾何形狀排列,如六角陣列光柵;在光纖內部刻劃,如Bragg(布拉格)光纖光柵。傳統加工方法工序繁雜、制作的光柵穩定性差、壽命短。而飛秒激光微加工克服了這些缺點,永久性改變折射率,改變量高達005,實現直接刻劃,順應了現代光柵微型化和多樣化的發展趨勢。MihailovS等人采用鈦寶石飛秒激光在摻鍺通信光纖纖芯上獲得的反射Bragg光柵,具有折射率調制范圍廣,溫度穩定性高的特點。

   (3)光子晶體的制備光子禁帶和光子局域是光子晶體的兩大特征,使其極有可能取代大多數傳統的光學產品。但是微米甚至亞微米級三維復雜光子晶體的制備技術是急需解決的關鍵問題。飛秒激光雙光子聚合法靈活,加工精度高,是制備光子晶體的理想選擇。SunH B等人采用飛秒激光制出任意晶格的光子晶體,它能單獨地為單個原子選址。serbinJ等人采用飛秒激光雙光子聚合得到結構尺寸小于200 nm,周期為450 nm的三維微結構和光子晶體㈣J。MarkusDeubel采用飛秒激光直接掃描法制出應用于無線電通信的三維光子晶體。國內的戴起勛等制出桿、層間距均5μm,共4層,分辨率為11μm的層狀木堆型光子晶體。

 

   (4)光存儲使用高分辨率存儲材料無疑會增加記錄密度,而采用超短激光進行亞微米級操作會得到更好的效果。飛秒激光多光子吸收作用引起材料的永久性光致還原現象,為超高密度三維立體光存儲提供了一個全新的思路,存儲密度可達1013bitscm3。其特點:快速的數據讀、寫、擦寫、重寫;并行數據隨機存??;相鄰數據位層間串擾??;存儲介質成本低。飛秒激光三維立體光存儲技術成為當前海量存儲技術發展的一個新研究方向。
   
   (5)
微通道的制備聚合物力學性能好,具有生物相容性,而且飛秒激光光束幾乎可以毫無衰減地到達透明材料內部的聚焦點,入射激光唯有在該點位置才能獲得較高的功率密度,發生非線性多光子吸收和電離,實現材料內任意部位三維微結構的直寫。采用150fs鈦藍寶石脈沖激光在聚甲基丙烯酸甲脂(Polymethyl MethacrylatePMMA)內制備出最小直徑2μm、最長達10mm的微通道,道壁光滑且沒有裂紋,沒有損壞透明材料表面,這種微通道將廣泛用于生物醫學技術如DNA拉伸、微統計分析系統等。