飞秒激光微加工技术概述.docx
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飞秒激光微加工技术概述
编号
2016120433
研究类型
理论研究
分类号
TN2
学士学位论文（设计）
Bachelor’sThesis
论文题目
飞秒激光微加工技术概述
作者姓名
学号
所在院系
物理与电子科学学院
学科专业名称
电子信息科学与技术
导师及职称
论文答辩时间
XXX
XXXXX学士学位论文（设计）诚信承诺书
中文题目：
飞秒激光微加工技术概述
外文题目：
Summaryoffemtosecondlasermicroprocessingtechnology
学生姓名
XXX
学号
XXX
院系专业
物理与电子科学学院
电子信息科学与技术
班级
XXX
学生承诺
我承诺在毕业论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，本人毕业论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的情况。
如有违规行为，我愿承担一切责任，接受学校的处理。
学生（签名）：
年月日
指导教师承诺
我承诺在指导学生毕业论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，经过本人核查，该生毕业论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为该生本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的现象。
指导教师（签名）：
年月日
致谢
飞秒激光微加工技术概述
XXX（导师：
XXX）
（XXXXX物理与电子科学学院，湖北XXXXX）
摘要：
近年来，新兴的飞秒激光对科学家的新能源研究也有着重要意义。
本文首先综述飞秒激光及其微加工技术的发展史，其次再简单介绍下其在国内外的研究进展。
详细的介绍了飞秒激光微加工技术在物理、机械、生物以及医学方面等多方面的应用。
最后总结性的简述飞秒激光微加工技术的现在发展所遇到的问题和以后的发展趋势、应用前景。
关键词：
飞秒激光微加工;发展;应用;前景
中图分类号：
TN2
SummaryofFemtosecondLaserMicroProcessingTechnology
XXX（Tutor:
XXX）
（CollegeofPhysicsandElectronicScience，XXXXX）
Abstract:
Inrecentyears,Emergingoffemtosecondlaseralsohasimportantsignificancefornewenergyresearchscientists.Thispaperfirstreviewsandfemtosecondlasermicroprocessingtechnology,thehistoryofthesecondsimpleintroducetheresearchprogressathomeandabroad.Detailedintroducesthefemtosecondlasermicroprocessingtechnologyintermsofphysical,mechanicalandbiologicalandmedicalaspectsofapplication.Finallythesummarydescriptionoffemtosecondlasermicroprocessingtechnologynowencounteredproblemsandfuturedevelopmenttrendsandapplicationprospects.
Keywords:
Femtosecondlaser;Micro;applicationprospect
飞秒激光微加工技术概述
1绪论
1.1课题研究背景及意义
20世纪以来，人们的发明创造能力越来越强，各类的重大发明相继涌现。
誉有“神奇的光”之称的激光的出现，更是掀起了继半导体、计算机、原子能之后又一股新兴产业浪潮。
激光（LASER）开始时被称为“雷射”、“镭射”，意思是“在受激辐射过程中产生并且被放大的光”即为激光。
1916年犹太裔物理学家阿尔伯特·爱因斯坦创新性的提出了激光的理论基础，这也是历史上首次对激光原理的定义。
之所以被称为“新能源”，激光的出现是有理论准备的，同时激光也是那个时代迎合着生产实践需求而产生的。
它的出现无异于给古老的光学科学和光学技术注入新鲜活力的血液，使得一门新兴的产业就此打开了发展的大门。
激光是20世纪60年代的新机会，由于具有定向发光、亮度极高、颜色极纯和能量密度大等特点使得以激光器为基础的激光产业在各个地方发展非常迅猛。
现在在工业生产、电子通讯、信息整理、医疗、军事、文化教育以及科研等方面应用广泛。
据相关部门统计，全球现在从高科技端的光纤使用到很普遍的超市或者商用条形码扫描仪的普及，有上万亿美元的产品和服务都与激光有或多或少的关联。
一份由前瞻产业研究院调查的数据报告显示：
目前中国激光产业的发展前景可观，激光行业已经具备较为齐备和通顺的的产业链，并且分布均匀极近成熟。
上行主要包括器件的基本原材料和组成部分如激光材料及配套元器件，中间部分是各种类型的激光器及其配套设备，下行主要是以成品显示，激光原理的产品、基本的消费产品、仪器设备为主，并被人们广泛使用。
随着时代的发展，移动型互联网的对人们生活的影响越来越大。
从以前简单的数字计算，再到逐渐普及各方面的智能，慢慢地把人们的生活、学习、工作、娱乐等各个方面与各行业的顶尖新技术紧密联合在一起，满足人们各方面的需求。
虽然激光的出现解决了很多技术上的局限性，打破了以前不可能的记录。
但是随着人们经济水平的提高，物质生活的转变，对生活品质、身体健康的要求也日益提高。
所以传统的激光在一些方面的缺点逐渐暴露出来。
例如激光脉冲时间长，造成能力的散失，对微加工来说很不利。
激光手术风险太大、激光的颜色也不满足所有材料、紫外激光对很多材料都不是透明的、所以使用的时候很麻烦。
诸如此类的问题慢慢积累起来，引起人们的重视。
而此时，一种很神奇的激光即为飞秒激光进入了科学家的研究发现中。
什么是飞秒激光？
从名字上面理解：
飞秒（femtosecond）是衡量时间长短的单位之一，简称毫微微秒，1秒是1飞秒的一千万亿倍。
飞秒激光即是一种以脉冲形式运转的特殊激光，时间脉冲特别短。
飞秒激光的出现在一定上弥补了传统激光的不足。
飞秒激光完全是人类创造的奇迹。
飞秒激光是目前最短脉冲的激光，而获取它需要在实验室条件下。
飞秒激光可以在瞬间发出的很大的功率甚至比全世界的发电总功率还大。
据人们生活统计，它的很多特性已有所应用，很多科学家预言说飞秒激光会促进当下世纪新的能源力量的产生。
飞秒激光的应用前景很广，会开辟新的一块科学领域，创造出一个新的历史新纪元，未来充满希望和挑战的。
飞秒激光的用途是什么？
大家都知道，物质的静止是相对的，即使在物质内部也是一样的，时时刻刻都在快速地运动着。
这个属性对于宏观物质和微观物质均适用。
人们对于微观物质的观察就是基于飞秒激光的技术层面的，例如：
原子和核外电子的快速运动过程。
在毫微微秒内观察和研究超短时间内的运动学过程，只是飞秒激光一个特点。
瞬间高功率经常在微加工制造的时候显示出来。
为了得到较高的峰值光强，首先发射低脉冲能量，然后通过诱发双光子或者是多光子进行吸收，可以使材料内部发生改变，最后达到目的。
目前，微加工制造的迅猛发展向加工技术、精度以及加工难度提出了更加严格要求。
所以，在解决以前滞留问题的同时，飞秒激光微加工技术还可以有自己独特的创新，比如：
直接加工出真正的三维微结构在透明材料内部。
飞秒激光器在市场上的出现很快就夺得了精密手术医疗和仪器加工行业的青睐。
飞秒激光微加工技术的良好群众基础就是从此来的。
此外，目前很多关于飞秒激光微加工原理的试验和研究大多是创新性的，本文中将通过与传统激光、长脉冲的比较，来突出飞秒激光及其微加工技术的特性和优势。
1.2国内外研究现状
20世纪60~70年代，激光开始出现，并且缓慢发展。
在这一阶段，采取的波段主要是近红外波和红外波的激光高功率系统。
当前他们的输出功率普遍较高水平在千瓦量级，光能量的输出都在纳秒时间范围内。
作为当时主要的激光加工材料：
金属，加工过程还是多样化的。
但是由于传统激光在加工过程中的热量扩散、加工材料的选择、较差的方位选择能力等缺点逐渐暴露，所以人们又有了新的追求目标。
20世纪80年代，随着宽带可调谐技术的出现以及自锁模技术的发展，似乎啁啾脉冲放大技术的出现，并不是很让人惊讶。
飞秒激光微技工技术得到了很好的发展，利用宽增益带宽的染料激光器再加上调Q和锁模等新技术并用的锁模振荡，使普通的激光脉冲的宽度窄达到毫微微秒（
）量级，也提高了峰值功率范围高达太瓦（
）甚至于拍瓦（
）。
由此可见，飞秒激光是在激光技术的一种特殊发展，也是电子技术特别是调频技术下的不断创新开拓的背景下发现的一种脉冲极短功率极高的激光。
图1是20世纪激光的发展趋势图。
到了20世纪80年代中期,啁啾脉冲放大技术（CPA）图2被应用于创造超短超强激光脉冲，成功的开创了飞秒激光微加工技术发展的新起点。
图1超短激光脉冲发展趋势
图2啁啾脉冲放大技术示意图
我国飞秒激光微加工技术的发展在国际上占有非常的重要地位。
中国物理科学院及其研究所在近些年内先后制造出来了极光Ⅰ（1.4TW/25fs）和极光Ⅱ（20TW/30fs）,现在正在致力于建造极光Ⅲ（200TW/40fs）,在研究飞秒激光产生方面有显著成果[1,2]。
位于上海的中国科学院光学精密机械研究所于在2003年时,就研制出当时国际上功率最高OPCPA激光器[3,4],2004年时又利用自己制作的的大口径钛宝石晶体，实现了120TW/36fs的激光脉冲输出[5],现在正在致力于建造更高功率的飞秒激光微加工装置。
国际上主要飞秒激光装置列于表2。
下面主要介绍国外科研工作者在这一课题的研究成果和现状：
自从1916年爱因斯坦提出激光原理以后，更多的科研工作者投入到这一新兴产业中。
1974年LLNL实验室创造出了百焦耳级功率级别的钕玻璃激光器。
2000年时建成了JanUSP[6]（Janus-pumpedultrashort-pulselaser）装置。
输出功率达到200太瓦,脉冲宽度为75fs，聚焦功率密度很高，高达2×1021W/cm2。
在当时达到了最高的输出功率和最大的聚焦功率密度。
日本的原子能研究所（JAERI）刚开始建造了一台10Hz,18.9fs,100太瓦激光器[7],然后又创造出了一台150J钕玻璃激光器抽运80钛宝石放大级,在2002年的时候此装置已经可以输出550太瓦（32.9fs,18.1J）[8]，2003年就达了850太瓦[9]。
这台装置就是迄今为止世界上最高功率的飞秒装置，由于管理和技术方面的限制，这个装置一直都没有投入使用。
法国LOA实验室一直在飞秒激光微加工技术发展有所究，2002年制造出了一台100太瓦,10Hz激光装[10]，并且通过自己的技术获得了接近衍射极限的不同光束质量和25fs的脉冲宽度在上世纪末在美国加州大学分校建成了20fs,60太瓦,10Hz激光装置[11]。
近年来韩国也十分重视飞秒激光技术发展,光州科学技术研究所（GIST）2005年引进了法国Thales公司制造的100TW,10Hz激光器UQBF[12]。
结合国内外飞秒激光微加工技术的研究，对比国内外的飞秒激光微加工技术发展状况，不难看出国内所存在的差距：
①国内致力于生产飞秒激光器和微加工系统的著名的公司不多；
②完全依赖于国产元件组合的飞秒激光系统少之又少；
③国内很多飞秒激光微加工都只是在实验室研究和发展阶段，真正用于实际生活和微加工领域的太少；
④国内关于飞秒激光微加工技术的探索太少了，创新点不多。
国际上主要飞秒激光装置列于表2
高功率固体飞秒激光装置
Table2Highpowerfemtosecondsolid-statelaserfacilities
Nationality
Lab
Setup
Energy/J
Pulsewidth/fs
Power/TW
Time
US
LLNL
JanUSP
15
75～80
200
2000
US
LLNL
Falcon
4/0.5Hz
30
100
2002
US
CUOS
Hercules
1.2
27
45
2003
US
UCSD
1.3/10Hz
22～25
60
1999
Japan
JAERI
0.85PW
18
32.9
850
2003
France
LOA
2.5/10Hz
25
100
2002
China
CAEP
SILEX-Ⅰ
9
26
300
2004
China
SIOM
4.3
36
120
2004
China
IOP
Jiguang-Ⅲ
40
200
2006
Korea
GIST
UQBF
3.6/10Hz
32
125
2005
Rassia
IAP
9
45
200
2005
UK
RAL
AstraGemini
2×15
30
2×500
2007
2飞秒激光的产生原理
2.1飞秒激光及其用途
谈起飞秒激光微加工技术，务必要先清楚这个技术的前提条件—飞秒激光（FemtosecondLaser）。
飞秒激光顾名思义：
一种时间脉冲特别短的特殊激光。
官方的解释是这样的：
一种以非常短的脉冲形式运转的激光即为飞秒激光，持续时间特别短，仅占几飞秒，1秒=1000万亿飞秒，电子学方法所创造出的最短脉冲也是它的几千倍。
飞秒激光的出现在一定上弥补了传统激光的不足，飞秒激光完全是人类创造的奇迹。
飞秒激光是目前最短脉冲的激光，而获取它需要在实验室条件下。
飞秒激光可以在瞬间发出的很大的功率甚至比全世界的发电总功率还大。
二十世纪八十年代以来随着啁啾脉冲放大技术、自锁模技术的发展以及宽带可调谐激光晶体的出现，飞秒激光微加工技术得到了很大的发展，利用宽增益带宽的染料激光器的锁模振荡并且通过锁模和调Q等新的技术，使激光脉冲的宽度缩短至飞秒（
）量级，峰值的功率高达太瓦（TW，即
）量级，甚至于拍瓦（PW,
）[13]。
可见，在激光技术和电子技术特别是调频技术的不断发展的背景下出现的一种脉冲极短的激光既是飞秒激光。
大家都知道，物质是由分子和原子组成的，运动是一定的，静止是相对的，所以它们都不是静止的，都在迅速地运动着，这是微观物质的一个很重要的基本属性。
人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一微观超快运动过程都得益于飞秒激光的出现。
基于这些科学研究的发现，飞秒激光在物理电子学、生物医学学、化学反应、光电子通讯等领域中得到了普遍泛应用。
值得一提的是，飞秒激光具有高分辨率、高精确度、高速的特性，它在医学病变早期诊断、医学成象和生物学中的生物活体检测、内外科医疗及超小型卫星的制造和观测上都有其与众不同的优点和无可替代的作用。
物质在高强度快速飞秒激光的作用下会产生非常特别的现象:
气态、液态、固态的物质可以瞬息间变成等离子体。
产生的这种等离子体可以辐射出不同波长的射线的激光。
电子束碰撞到高功率飞秒激光时可以产生硬X射线的飞秒激光，并且产生β射线激光以及产生正负电子对。
高功率飞秒激光在生物医学、高密度信息储存、超精细微加工领域和信息记录方面等都有着不可预测的发展前景。
高功率的飞秒激光还可以将大气击穿，去制造放电通道，实现人工引雷，避免大型交通工具、火箭、以及发电厂等因天然电雷击而造成的非人为灾难性破坏。
利用飞秒激光还能够非常有效地加速电子运动，能够上千倍的压缩加速器的规模。
物质与高功率飞秒激光互相作用，可以产生巨大数量的中子，可以实现激光受控核聚变的快速点火。
从而在新能源方面开辟一条崭新的途径。
2.2飞秒激光的特性
飞秒激光的主要特点简述如下：
1、超短脉冲。
飞秒激光是我们人类目前现在在实验条件下能够获得的最短脉冲；
2、瞬时高功率。
飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的一瞬间功率可达百万亿瓦，比全世界发电的总功率还要多出大约上百倍；
3、精确定位性。
飞秒激光具有非常精确的靶向聚焦定位性，甚至可以聚焦到比头发的直径还要小的超细微空间区域；
4、飞秒激光作用在物体上时会产生非常特别的现象，像气态的物质、液态的物质和固态的物质瞬间都可以变成等离子体。
5、用飞秒激光进行手术，没有热效应和冲击波，在整个光程中都不会有组织损伤；从上述5点飞秒激光的主要特性中可以看出，在微细加工和超微细加工的领域中飞秒激光还是有着极为有价值的应用前景的。
其实自从发现了飞秒激光，以钛宝石晶体为主的增益介质、啁啾脉冲放大、克尔透镜锁模和半导体可饱和吸收镜等其他技术促使着它从染料激光器逐渐发展到自启动的克尔透镜锁模激光器，还有后来的二极管泵浦全固态的飞秒激光器和飞秒光纤激光器。
为满足国内科研和工业生产进一步发展的需求，国内外科研人员仍然致力于飞秒激光器研究，纷纷建造起了微加工系统。
飞秒激光系统由放大器、压缩器、振荡器和展宽器4部分组成。
具有代表性的飞秒激光器、微加工系统的特点如下：
①输出脉宽大约几百飞秒，当然真正短到几飞秒的甚少，少数都是在实验室条件下产生的。
因而平均功率较低，由于这个限制，使它在商业中的应用价值很低，生产效率较低；②工作稳定性很高，寿命延长，如众所周知的CPA-21系列的种子光，它有20年的平均无故障时间记录；③实现MHz的重复频率输出；④可调谐波加工精度、光束质量较高、波长范围变广；⑤利用它的超快特性，逐渐实现三维精细加工。
虽然发展缓慢，但飞秒激光系统在可调可控性、实用性、小型化、全光纤等方面还有很大的发展空间和前景。
激光主要有六大特性：
①定向发光；②亮度极高；③激光颜色取决于波长；④激光分离技术；⑤颜色极纯；⑥能量极大综合本文2.2对于飞秒激光特性的总结，不难发现飞秒激光与传统激光有相似的地方，但是其性能要远远高于传统激光，但毕竟飞秒激光是一种特殊的激光。
飞秒激光的脉冲时间比激光短，而且功率也比普通的激光要高很多。
在准确度方面，飞秒激光始终名列前茅。
图3图4分别是长脉冲激光和飞秒激光微加工的图示。
以下是一些具体的例子：
传统的激光由于脉冲持续时间太长，远大于材料的热扩散，造成吸收的光速能量分散到周围的区域，造成热量散失。
飞秒激光进行切割，几乎没有热传递。
美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员研究发现，飞秒激光束能安全地切割极其危险的高爆炸药。
在生物医学方面，不少医学专家已将它作为超精密外科手术刀，普遍用于视力矫正，既能精度准确又能减少组织损伤还不会留下后遗症，甚至可用于基因疗法，或者对单个细胞动精密手术。
那准分子激光是怎么工作的？
两者有什么区别呢？
准分子激光与生物组织相互作用时发生的不是热效应，而是光化反应。
所谓的光化反应，就是指组织受到远紫外光激光刺激时，将会断裂分子之间相互作用的结合键，将组织直接分离成挥发性的破碎片然后就会消散无踪。
可以准确地消融眼角膜多余部分，而且对周围其他组织没有影响，从而达到对眼角膜重塑的目的。
最重要的是它的波长短，不会穿透人的眼角膜，因此对眼球内部以及周围的组织没有任何不良副作用。
而飞秒激光是通过激光来完成对角膜瓣的制作。
飞秒激光对于角膜瓣制作的精确度要求控制在10－15微米之间，由于精确度要求较高，普通的板层刀根本无法完成。
飞秒激光手术不受角膜曲率的影响，而且术后的视觉恢复质量会更好。
对于患者来说，无论低风险、高精确度、痛苦程度小还是术后恢复质量都是至关重要的。
这样的标准无疑是为飞秒激光量身定做的。
图3长脉冲激光加工过程图4飞秒激光微加工过程
3飞秒激光微加工技术的简述及其应用
3.1飞秒激光微加工
飞秒激光与先进的精密仪器制造技术相互相结合的产物即为飞秒激光微加工技术。
加工微小尺寸零件的生产加工技术即为微加工技术。
从广义的角度来讲，微加工方法可以分为两大类：
传统精密加工方法和非传统精密加工方法。
如切削技术，外延生产，激光加工，电火花加工，超声波加工，微波加工，电解加工，化学加工，电子束加工，粒子束加工，光刻加工，电铸加工，离子体加工，磨料加工技术等均属于第二类。
从狭义的角度来讲，微加工主要是制造指半导体集成电路的技术，正是半导体集成电路的发展才得以带动微细加工技术发展的。
尤其是作为技术基础的大规模集成电路计算机，是信息化和光电子时代的关键技术之一[14]。
首先介绍下微细加工：
1、精度的表示方法
在很小尺寸加工时，由于加工尺寸值太小，精度范围就必须用尺寸的绝对值来表示，即用取出的一块材料的尺度大小来表示，从而介绍加工单位尺寸的概念。
2、微观概念
以剖切削加工为例，从加工物件的角度来讲，切屑的大小是一般加工和微加工的最大区别所在。
一般情况下金属材料是由微小的晶粒，晶粒直径的范围为百微米之内。
一般的加工，精度要求很松懈，晶粒的大小可以忽略不计。
由此可见微细加工与一般加工的机理和概念本质上还是有很大差别的。
3、加工特征
微型的机械加工技术，主要是为工业或者实验室研究机械装置的微细加工技术。
微型机械属于高科技领域，因此涉及到很多技术相互结合。
微型机械之所以称之“微”，就说明其系统的尺寸精度已经达到了肉眼不可见的境界，传统的计量单位也已不再实用，变成了微米、纳米级的了。
飞秒激光具备极高的三维光子密度，不仅能够对种材料实现逐层加工而且可以实现微量加工；用飞秒激光对材料进行加工处理，不仅可以弥补现有的激光加工技术滞留的缺点，而且在此基础上还可以精确技术精度，创新技术方法，提高品质；飞秒激光加工的热影响区域（Heataffectedzone）极小，由于时间脉冲短，几乎不存在散热问题，并且不存在连续激光加工或长脉冲激光中的等离子体屏蔽效应，所以飞秒激光微加工技术的能量利用率和加工精度都很高。
当飞秒激光加工透明的介质材料时，加工过程不受介质材料本身的线性吸收系数的影响，而且对材料表面或内部不平整不敏感。
此外，相互作用对象的角度来看，飞秒激光微加工技术主要原理是涉及多光子电离的过程，与传统激光加工相比机理上是截然不同的。
“加工”二字在飞秒激光微加工中也可以理解成广义性的。
它并非只是我们所理解的“机械操作加工”，可以是对物质其性质或者属性的改变，或者是对物质内部微观结构的控制、处理，原子水平或分子水平上的。
飞秒激光微加工往往是在极短的时间、狭小的空间、和极端的（物理）条件下对物质进行加工的。
飞秒激光微加工即为：
“超微”与“超快”的组合，这也正是它的特点所在。
飞秒激光超微细加工的独特之处。
大势所趋，飞秒激光微加工是现在全球的激光以及光电子行业的先驱，一个大的前沿研究方向。
可以这样说，飞秒激光微加工技术是其他激光技术完全不在一个等级。
飞秒激光除了加工材料以外，还涉及其他前沿、尖端的技术，由于其加工的精密度和利用率都非常高，现在在医学上也是从炙手可热。
3.2飞秒激光微加工技术的特点
由上述可知，飞秒激光微加工技术就是先进制造技术尤其是微细加工技术与飞秒激光技术相结合的产物，根据1.1中列出的飞秒激光的特点
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