飞秒激光在材料微加工中的应用研究.pdfVIP

第21卷第2期 量子 电 子学 报 V01．21No．2 ELECTRONICS CHINESEJOURNALOF Apr．2004 2004年4月 QUANTUM 文章编号： 1007—5461(2004)02—0194—08 飞秒激光在材料微加工中的应用 贾威， 王清月， 傅星， 胡小唐 (天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室，光电信息技术科学教育部重点实验室， 天津 300072) 摘 要： 本文介绍了飞秒激光的特性以及超短脉冲激光与材料相互作用的机理，并着重指出了其与长脉冲激 光的区别。飞秒激光可产生超高光强、具有精确的损伤阈值(并且损伤阈值较低较低)、很小的热影响区、几乎 可精密加工所有种类材料，并且，加工精度极高，可进行亚微米尺寸的精密加工。通过分析飞秒激光材料微加 工的特性，综述超短脉冲激光材料微加工的应用研究现状． 关键词： 激光技术；飞秒激光；激光微加工；微结构改性；多光子吸收；光子晶体 中图分类号：0484．1；0484．4文献标识码：A 1 引 言 自从上世纪60年代成功研制第一台激光器之后不久，人们就开始进行激光与材料相互作用的研究。 激光与材料相互作用可产生各种各样的现象，包括：简单的材料吸收光被局部加热，也可以是复杂的光致 化学反应以及烧蚀、等离子体产生等，这些现象都与激光特性、材料性质及加工环境有关。非接触性和较 高的加工精度受到人们的青睐，激光切割、激光表面热处理、激光焊接和工业领域的迫切需求，大大促进 了激光加工技术的实用化【1，2l。随着对激光领域的深入研究，激光脉冲的时域宽度被压缩得越来越短，纳 超短脉冲激光技术的日趋成熟，人们又开始利用其独特的优势进行精密加工，不但可以提高加工精度，而 且还能加工以前长脉冲激光无能为力的透明材料[7”10]。 本文旨在介绍超短脉冲激光材料微加工机理，阐述超短脉冲激光材料微加工的特性。通过分析超短脉 冲激光与材料相互作用在不同方面的特性，展示了超短脉冲激光材料微加工广阔的应用前景。 2 飞秒激光特性及其与材料相互作用机理 2．1极高的峰值强度 由于脉冲宽度极短，就可以在较低的脉冲能量下获得极高的峰值激光强度，例如：对10fs脉冲宽度 激光，0．3mJ能量就可在聚焦为直径2pm的焦点达到10 llS的 18W／cm2的峰值强度，而脉冲宽度为10 长脉冲激光，却要300J的能量才能达到同样的峰值强度。 2．2较小的损伤阈值 激光加工在时间上可分为两个阶段： (1)激光与材料相互作用，即激光吸收与材料加热；(2)材料 熔化和汽化过程，即材料去除过程。因此，对特定波长的激光来说，材料可分为：吸收材料(如金属和大多 基金项目：教育部科学技术研究重大项目(光通信系统中的微型光电器件的研究)资助 22 收稿日期：2003…12 E-maih ull@tin．edu．cn 第2期 贾 威等：飞秒激光在材料微加工中的应用 195 数半导体对可见光来讲就是吸收材料)和透明的介电材料(如玻璃对可见光来讲就是透明材料)。 对吸收材料，其中存在大量的自由电子，通过焦耳加热(又称为逆韧致吸收)过程吸收激光能量，材 料本身被加热。材料加热过程可由俩个特征参数来表示： (1)趋肤深度2。(=1／＆，其中Ol是材料的吸收系 加热体积取决于热扩散过程，因此，损伤阈值Fth。((力)1／2。但是，当激光脉冲宽度下降到TC，使热扩散 ，r ￡ 之 3 b C = C 旦 。 景 上 h