在當(dāng)今高精度、高效率制造業(yè)的需求下，飛秒激光加工技術(shù)以其卓越的加工精度和非凡的適用性，迅速在各大領(lǐng)域中嶄露頭角。飛秒激光加工（Femtosecond Laser Machining）是一種利用超短脈沖激光進(jìn)行材料加工的技術(shù)，其脈沖持續(xù)時間僅為飛秒級（1飛秒=10^-15秒），幾乎不會產(chǎn)生熱效應(yīng)，因此可以實(shí)現(xiàn)極高精度的無損加工，在微納米級別的加工中表現(xiàn)尤為出色。更特別的是，由于飛秒激光的電磁波本性，它可以在透明材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)各種加工過程，實(shí)現(xiàn)真正的三維微納米制造。
此外，飛秒激光由于極高的峰值功率，無論是金屬、陶瓷、聚合物還是復(fù)合材料，飛秒激光都能應(yīng)對自如，擁有廣泛的材料適用性，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于制備微光學(xué)、微機(jī)械、微電子等領(lǐng)域的微納器件。
飛秒激光加工原理與方法
近年來，飛秒激光加工技術(shù)飛速發(fā)展，也有許多基于飛秒激光的復(fù)合方法被提出。從飛秒激光與材料相互作用的角度來區(qū)分，各種飛秒激光加工的技術(shù)總計可以分為三類：飛秒激光增材制造、飛秒激光等材制造以及飛秒激光減材制造。
如圖1a所示，飛秒激光增材制造的代表方法是飛秒激光雙光子聚合3D打印技術(shù)，其基本原理是激光焦點(diǎn)處的雙光子吸收和光聚合反應(yīng)，主要應(yīng)用于光刻膠等軟材料的內(nèi)部改性，可以逐層構(gòu)建出復(fù)雜的三維微納米結(jié)構(gòu)。如圖1b所示，飛秒激光等材制造的代表方法是飛秒激光誘導(dǎo)材料內(nèi)部折射率變化，這個過程沒有材料的去除，其基本原理是硬脆材料內(nèi)部對飛秒激光的非線性吸收過程，代表應(yīng)用是光波導(dǎo)和光纖光柵等。如圖1c所示，飛秒激光減材制造的代表方法是飛秒激光表面燒蝕加工及可選的各種后處理手段，利用飛秒激光極高的峰值功率和極短的脈沖時間實(shí)現(xiàn)材料的“冷”去除，主要應(yīng)用于制備各種功能性表面以及微切割、微打孔等領(lǐng)域。接下來將詳細(xì)介紹這三類飛秒激光加工技術(shù)的應(yīng)用。
圖1 飛秒激光增材、等材、減材制造的示意圖
飛秒激光加工應(yīng)用方向
1.飛秒激光增材制造之雙光子聚合3D打印
雙光子聚合3D打?。═wo-Photon Polymerization, TPP）是一種先進(jìn)的微納米級三維打印技術(shù)，利用雙光子吸收效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)高精度的三維微結(jié)構(gòu)制造。其基本原理為雙光子吸收和光聚合反應(yīng)，即當(dāng)超快脈沖激光（如飛秒激光）的光子密度足夠高時，材料中的分子可以同時吸收兩個光子，發(fā)生雙光子吸收。雙光子吸收這一過程僅在激光焦點(diǎn)處發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)了飛秒激光加工的高空間選擇性。
另外在雙光子吸收過程中，材料中的光引發(fā)劑分子被激發(fā)，引發(fā)光聚合反應(yīng)，使光敏樹脂在焦點(diǎn)處固化，通過精確控制激光焦點(diǎn)的移動便可以逐層構(gòu)建出復(fù)雜的三維微納米結(jié)構(gòu)。如圖2分別展示了雙光子聚合的代表工作納米牛，以及該技術(shù)可以用來制備的菲涅耳波帶片等衍射光學(xué)元件、復(fù)眼微透鏡陣列等折射光學(xué)元件、微流控元件、集成光學(xué)元件等。
總之，飛秒激光雙光子聚合3D打印技術(shù)能夠根據(jù)特定需求進(jìn)行定制化制造，適用于生產(chǎn)小批量、高復(fù)雜度和個性化的產(chǎn)品，這在醫(yī)療器械、定制化電子元件和特殊用途的精密部件制造中具有重要意義。
圖2 雙光子聚合3D打印 （a）納米牛；（b）衍射光學(xué)元件；（c）折射光學(xué)元件；（d）微流控元件；（e）集成光學(xué)元件
2.飛秒激光等材制造之光波導(dǎo)刻寫
隨著社會信息化程度的不斷深化，人們對信道容量和通信速率的需求也越來越高。為解決傳統(tǒng)的電子芯片集成度難以進(jìn)一步提升的問題，研究者們提出了具有更高的穩(wěn)定性和更快的計算速度的光子芯片概念。使用飛秒激光可以在硬質(zhì)材料內(nèi)部制備真三維光子芯片，通過精確控制飛秒激光的曝光量、掃描軌跡以及散射體植入的方式，可以調(diào)控光子芯片的最基本單元——波導(dǎo)的各項(xiàng)特性，比如模場尺寸、偏振、損耗以及單/多模條件等。
進(jìn)一步地，通過設(shè)計不同波導(dǎo)之間的耦合情況，可以實(shí)現(xiàn)量子模擬，還可以通過設(shè)計幾種參數(shù)空間中的不同泵浦路徑的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)索利斯光子泵的非阿貝爾特性以及與泵浦方式相關(guān)聯(lián)的Wilczek–Zee和樂變換。如圖3a所示則為通過空間光調(diào)制器進(jìn)行光斑形狀調(diào)整進(jìn)而在材料內(nèi)部制備波導(dǎo)的示意圖，圖3b-圖3d分別是基于飛秒激光直寫的三維偏振旋轉(zhuǎn)器，大縱深大規(guī)模深度連續(xù)變化波導(dǎo)陣列以及集成光子芯片。
圖3 光波導(dǎo)刻寫 （a）示意圖；（b）三維偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)器；（c）大縱深大規(guī)模深度連續(xù)變化波導(dǎo)陣列；（d）集成光子芯片
3. 飛秒激光等材制造之光纖光柵刻寫
光纖光柵作為一種重要的光纖光學(xué)器件，具有抗電磁干擾、低傳輸損耗，以及體積小、易復(fù)用和易集成等顯著優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于光纖傳感、光纖通訊和微波光子學(xué)等眾多領(lǐng)域，為光纖通信與光纖傳感等領(lǐng)域帶來了里程碑式的革命。因此，開展光纖光柵的制備方法及特性的研究不僅有助于擺脫基于光纖光柵的關(guān)鍵器件依賴進(jìn)口的局面，也有利于加快解決技術(shù)和工藝方面 “卡脖子”難題。同時，還能為進(jìn)一步推動光纖光柵技術(shù)在更多領(lǐng)域應(yīng)用的成熟化、規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化提供有力支撐和有效保障。
飛秒激光加工技術(shù)為光纖光柵的制備提供了有利條件，得益于飛秒激光窄帶寬，高能量和高精度等優(yōu)點(diǎn)，聚焦到纖芯內(nèi)部的飛秒激光通過多光子吸收過程實(shí)現(xiàn)了纖芯內(nèi)折射率的調(diào)制，對光場產(chǎn)生周期性的“微擾”即得到光纖光柵，并且過程中無需依賴于光纖的光敏性，大大降低了光柵制備的復(fù)雜度。而且飛秒激光能夠在各種類型的光纖材料上進(jìn)行刻寫，包括標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖、多模光纖、摻餌光纖等，這為不同的應(yīng)用需求提供了靈活的選擇，拓寬了其在傳感、通信、激光器和放大器等領(lǐng)域的應(yīng)用，為光纖技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的支持。
如圖4所示則分別為應(yīng)用于高溫探測的藍(lán)寶石光纖布拉格光柵、應(yīng)用于應(yīng)力傳感的逐點(diǎn)刻寫切趾光纖光柵，以及激光誘導(dǎo)折射率變化刻寫長周期光纖光柵和藍(lán)寶石螺旋型光纖光柵。
圖4 光纖光柵刻寫 （a）藍(lán)寶石光纖布拉格光柵；（b）切趾光纖光柵；（c）長周期光纖光柵；（d）藍(lán)寶石螺旋型光纖光柵
4.飛秒激光減材制造之功能性表面的制備
飛秒激光能夠?qū)崿F(xiàn)納米級別的精細(xì)加工，適用于制造高精度的表面微納結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)表面功能的定制化。例如圖5a所示的用于防污、防腐和自清潔等領(lǐng)域的超疏水和超親水表面；圖5b所示的用于光學(xué)器件、太陽能電池以及航空航天等領(lǐng)域的抗反射和增透表面；圖5c所示的用于表面?zhèn)鳠嵝阅芑蚋魺嵝阅苷{(diào)控的熱調(diào)控表面以及圖5d所示的用于細(xì)胞附著和生長的生物醫(yī)學(xué)植入物和組織工程等生物相容性表面。
總之，飛秒激光在表面微納結(jié)構(gòu)制備領(lǐng)域的應(yīng)用，極大地提高了加工精度和效率，拓展了功能性表面的應(yīng)用范圍，為未來的材料科學(xué)、光學(xué)、電子、機(jī)械和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。
圖5 功能性表面（a）超疏水表面；（b）增透藍(lán)寶石表面；（c）熱調(diào)控表面；（d）生物相容性表面
5.飛秒激光減材制造之多材料切割打孔
飛秒激光在材料表面切割和打孔方面的應(yīng)用，因其高精度、低熱影響、高效能量吸收等優(yōu)勢，在許多高技術(shù)含量的領(lǐng)域得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。例如電子制造領(lǐng)域中，用于芯片制造的切割和打孔需要確保芯片邊緣整齊無缺陷；醫(yī)療器械領(lǐng)域中，用于微創(chuàng)手術(shù)器械的精密手術(shù)刀、微型鉗子等；用于航空航天工業(yè)的鈦合金和復(fù)合材料的精密切割和打孔，以便于飛機(jī)和航天器的關(guān)鍵部件制備；用于汽車零部件制造的精密加工渦輪葉片、發(fā)動機(jī)部件的切割和打孔，提高加工精度和效率。
總之，飛秒激光在材料切割和打孔方面的廣泛應(yīng)用，使其在各種通信設(shè)備、精密儀器、新能源電池、奢侈品制造等高精密度、高附加值的行業(yè)中具有巨大的市場潛力，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，飛秒激光將在更多行業(yè)中發(fā)揮重要作用。圖6a展示了飛秒激光在玻璃、半導(dǎo)體、激光晶體、鐵電體等多種透明材料中實(shí)現(xiàn)了橫向精度為10 nm，深寬比為10?的納米深加工以實(shí)現(xiàn)超隱形切割的卓越優(yōu)勢，以及圖6b和圖6c所示的在藍(lán)寶石、硅等硬脆材料表面實(shí)現(xiàn)的精密打孔性能。
圖6 多材料切割打孔（a）超隱形切割；（b）鍍鋁藍(lán)寶石圓孔、方孔加工；（c）硅片群孔加工
吉成超快的顛覆性超快解決方案
吉成超快公司攻克了制約超快激光工程化應(yīng)用的多項(xiàng)核心技術(shù)，包含基于激光成絲與激光改性的硬脆材料精密加工技術(shù)、高精度光機(jī)電協(xié)同控制技術(shù)、激光殼層掃描技術(shù)、光束穩(wěn)定性控制技術(shù)以及誤差預(yù)測與補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)等；攻克裝備性能提升研究和工業(yè)化設(shè)計難題，推出了2大類飛秒激光加工系統(tǒng)，分別為：1）馬良（Maleon）系列超快激光雙光子聚合3D打印系統(tǒng)；適用于微光學(xué)、微流控、集成光子學(xué)、生物光子學(xué)等方向應(yīng)用；2）魯班（Roban）系列飛秒激光放大器微納加工系統(tǒng)；適用于光纖光柵、光波導(dǎo)、材料表面精密加工，集成光子芯片等方向。
圖7 （a）Maleon飛秒激光雙光子聚合3D打印系統(tǒng)，（b）Roban-waveguide 飛秒激光光波導(dǎo)直寫系統(tǒng)，（c）Roban-FBG 飛秒激光光纖光柵刻寫系統(tǒng)，（d）Roban-Nano飛秒激光加工工作站（支持各類深度定制應(yīng)用）
吉林省吉成超快設(shè)備有限公司依托吉林大學(xué)集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室超快激光加工團(tuán)隊(duì)于2019年成立。團(tuán)隊(duì)擁有近20年飛秒激光加工技術(shù)積累，團(tuán)隊(duì)相關(guān)研究成果“特種光電器件的超快激光微納制備基礎(chǔ)研究”獲2020年國家自然科學(xué)二等獎；“光學(xué)FIB效應(yīng)”獲2023年國家自然科學(xué)二等獎。
公司的飛秒激光微納加工系統(tǒng)目前已申請了多項(xiàng)專利與商標(biāo)進(jìn)行知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，推出的飛秒激光加工系統(tǒng)已被清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、南京郵電大學(xué)、安徽大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)、河北大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)、華為技術(shù)有限公司等數(shù)十所科研院所或企業(yè)研發(fā)中心應(yīng)用。
作者簡介：
祁金勇，博士，吉林省吉成超快設(shè)備有限公司，工藝經(jīng)理，從事飛秒激光加工工藝研究。
