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談飛秒激光加工的優(yōu)與劣 紫外/矢量/渦旋光場提供新思路

發(fā)布時間:2019-11-21 來源:元祿光電

激光被譽為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一,隨著三次工業(yè)革命的結(jié)束,激光將是引領(lǐng)第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵。激光的出現(xiàn)大大地推動了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。激光以其功率大、易聚焦、高亮度、方向性好等優(yōu)點,在機械加工中已經(jīng)成為最先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛的一種手段。激光加工精度高、速度快、成本低,可以由計算機編程實現(xiàn)自動控制,加工形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu),并且由于是非接觸加工,不會損壞材料,安全可靠。

 

激光加工的分類和各自特點

根據(jù)激光與物質(zhì)相互作用的機理,激光加工可分為兩大類:激光熱加工和非熱加工。熱加工和非熱加工通常使用的激光類型是不同的,熱加工通常使用的是長脈沖激光或連續(xù)激光,非熱加工通常使用的是皮秒、飛秒等超短脈沖激光。

 

激光熱加工利用激光照射材料過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng),被照射材料的分子體系需要不斷地從照射激光獲取能量轉(zhuǎn)化為自身的內(nèi)能,被照射區(qū)域的溫度急劇升高,達(dá)到材料的熔點和沸點,發(fā)生融化、去除,達(dá)到加工目的。由于激光的能量轉(zhuǎn)化為分子體系的內(nèi)能需要的時間較長,因此熱加工常用長脈沖激光。這一加工方法簡單直接,已廣泛用于工業(yè)制造,如激光切割、激光增材制造等。但由于加工過程中存在不可避免的熱擴散,限制了激光熱加工的精度和粗糙度。

 

非熱加工則是利用由材料電子體系擾動引起的非線性效應(yīng)(如非線性電離、表面散射等),通過電子吸收光子發(fā)生躍遷和電離,誘導(dǎo)材料的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變,從而導(dǎo)致一些新穎效應(yīng)的產(chǎn)生(如雙光子聚合、激光自組裝等),利用這些新穎的效應(yīng)達(dá)到提高加工精度、優(yōu)化加工方法的目的。由于電子體系和激光的能量交換可以在瞬間完成,因此非熱加工常用超短脈沖激光。這種加工方法精度較高,加工手段多樣,是目前激光加工領(lǐng)域的研究熱點之一。

 

傳統(tǒng)飛秒激光加工的優(yōu)勢和不足

超高的峰值功率和超短的脈沖持續(xù)時間是飛秒激光的兩個主要優(yōu)勢。超高的峰值功率使其足以誘導(dǎo)材料產(chǎn)生多種多樣的非線性效應(yīng),豐富了激光加工的方法。而超快的時間特性也使得飛秒激光與材料相互作用的過程非常短暫,激光輻照區(qū)域吸收的光能量甚至來不及傳遞到其他區(qū)域,確保激光能量可以精準(zhǔn)地沉積在輻照范圍內(nèi),實現(xiàn)超精細(xì)加工。

 

目前,飛秒激光已經(jīng)廣泛用于微納加工領(lǐng)域,主要有激光直寫和激光掩膜兩種方法。然而,由于加工系統(tǒng)存在衍射極限,使得激光輻照區(qū)域不可能無限制的縮小,限制了加工精度的進(jìn)一步提高。同時由于不同材料的非線性特征不同,使得飛秒激光加工對材料有著強烈的依賴性,同一加工方法對于不同材料往往表現(xiàn)出不同的加工效果。

 

紫外飛秒激光加工的優(yōu)勢

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,對加工精度的要求不斷提高,而影響激光加工精度的主要因素之一就是加工系統(tǒng)的衍射極限。衍射極限是描述一個光學(xué)系統(tǒng)成像或加工精度的物理參數(shù),衍射極限越小則加工精度越高。通常,衍射極限是與入射光的波長成正比的,因此減小激光波長便成為提高衍射極限最直接、有效的手段,比如當(dāng)前工業(yè)中大規(guī)模使用的紫外光刻技術(shù)就是通過減小激光波長來提高加工精度的。

 

紫外激光指的是波長小于380nm的激光,相比于目前飛秒激光常用的波長(主要在可見光波段,380nm760nm),紫外飛秒激光的加工精度更高。同時,由于紫外飛秒激光的波長短,單光子的能量很大,光子可以直接切斷分子或原子的結(jié)合鍵,實質(zhì)屬于光化學(xué)反應(yīng),基本沒有融化現(xiàn)象,從而限制了熱效應(yīng)的影響。另一方面,紫外波段是許多聚合物的敏感波段,如光刻膠等。這些聚合物在紫外飛秒激光的照射下會發(fā)生雙光子聚合效應(yīng),使流動的膠體聚合成為機械強度較高的固體,加工過后再將光刻膠洗去,便可以得到所要的結(jié)構(gòu)。利用這一原理可以進(jìn)行超精細(xì)的三維結(jié)構(gòu)加工。

 

矢量、渦旋光場飛秒加工的特點和優(yōu)勢

傳統(tǒng)的飛秒激光加工主要關(guān)注的是激光的能量特征,利用飛秒激光光場的超高能量誘導(dǎo)材料的非線性效應(yīng),以達(dá)到加工的目的。在光與物質(zhì)相互作用的過程中,不僅存在能量的吸收,更存在動量的交換,這意味著新型的激光模式在飛秒加工領(lǐng)域更能發(fā)揮其優(yōu)勢。

 

矢量、渦旋光場是兩種最典型的新型激光模式,其偏振、相位的空間拓?fù)涮匦允沟霉鈭鼍哂幸恍┨厥獾奈锢硇再|(zhì)。比如,矢量光場可以會聚為超衍射極限的焦斑,尺寸更小,因此加工精度更高。另一方面,光場自身攜帶的光子角動量能與物質(zhì)進(jìn)行動量交換。例如,具有螺旋狀相位結(jié)構(gòu)的渦旋光場則攜帶光子軌道角動量,驅(qū)動微粒繞固定軸轉(zhuǎn)動;左旋或右旋圓偏振光攜帶光子自旋角動量,可以誘導(dǎo)微粒自轉(zhuǎn);偏振態(tài)隨空間位置變化的矢量光場則可以表現(xiàn)出角動量之間的相互作用。同樣,矢量、渦旋光場的動量特性也可以用于飛秒激光加工領(lǐng)域,例如使用渦旋光場誘導(dǎo)手性結(jié)構(gòu)、利用矢量光場誘導(dǎo)復(fù)雜的花紋圖案等。

 

相較于傳統(tǒng)的飛秒激光加工,時空特性可控的高功率紫外激光系統(tǒng)產(chǎn)生的矢量、渦旋光場飛秒激光加工使得加工結(jié)構(gòu)多樣化、復(fù)雜化。通過設(shè)計光場的相位、偏振態(tài)分布,可以得到各式各樣表面圖案甚至復(fù)雜的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用飛秒激光脈沖整形技術(shù)結(jié)合空間光調(diào)制技術(shù)、時空聚焦技術(shù)等對超快激光脈沖時域以及頻域進(jìn)行調(diào)制,實現(xiàn)在不同材料內(nèi)部的三維微納加工和實際應(yīng)用,這些技術(shù)有望在新型集成光學(xué)和微納光學(xué)中發(fā)揮重要的作用。

 

紫外、矢量、渦旋飛秒光場的優(yōu)勢和潛在應(yīng)用

隨著產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的飛秒激光加工技術(shù)難以滿足日益增長的工業(yè)需求,必須對其進(jìn)行發(fā)展和優(yōu)化。紫外飛秒激光加工技術(shù)是提高加工精度的有效途徑,在工業(yè)制造方面有著巨大的應(yīng)用價值。矢量、渦旋光場飛秒激光加工技術(shù)改變了傳統(tǒng)的單一的加工模式,使得激光加工更加靈活多樣。此外,紫外矢量、渦旋飛秒激光加工技術(shù)也是對光與物質(zhì)相互作用理論的實踐和驗證,有助于揭示更深層的物理機制,有著積極的科研意義。


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