超快激光器打造超精密加工工具

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技术的改进已经使超快激光器走出实验室，进入工业和医药行业执行精准细致的加工任务。超快激光器的成功之处在于其能将光能集中到皮秒至飞秒的时间间隔内，并将光聚焦到小空间上。这种聚焦为“在不破坏底层区域的情况下，从材料表面快速、清洁地烧蚀材料”提供了所需要的高光强。
对加工像玻璃或陶瓷这样的易碎材料，或者是在涡轮叶片这样的硬质金属上清洁地钻孔这样的应用来说，这种精确性和精细性的结合至关重要。这些优势已经为超快激光器在医疗领域赢得了一席之地，其不但可用于制作精细的生物医学设备，如用于冠状动脉搭桥手术中的支架；还能执行精细的医疗手术，如角膜手术。
激光与材料的相互作用
功率强度和脉宽是影响激光束如何与材料相互作用的关键因素。在长时间范围内，材料吸收一部分光能，将其转换成热量，热量会通过材料传导。如果光束足够强，便能熔化材料，熔化的材料会将热量传递到周围区域。对于短至纳秒级时间尺度的脉冲加工而言，吸收、熔化和热传导占主导地位。
当脉冲能量以短于约100ps的时间尺度传输时，根据材料的不同情况会发生显著变化。随着脉冲峰值功率的增加，峰值强度急剧上升。例如，持续1ps的微焦级脉冲的峰值功率为1MW，当它聚焦为5μm的光斑时，可产生约4×1012W/cm2的峰值强度，这足以剥离外层电子。激光与材料相互作用的时间是如此之短，以至于离子在能够将能量传导到底层材料之前，就已经从材料表面被烧蚀掉了。与光强较低的情况相比，在这种烧蚀模式下，能量传导受材料吸收的影响较小，但是也会受到材料种类和激光波长的影响。例如，紫外脉冲比近红外脉冲更适合切割玻璃之类的透明材料，而近红外脉冲在玻璃中的传输性能更好。
这种加工通常也被称为“冷烧蚀”。虽然材料表面在片刻间就变得非常热，但是离子在其加热或损伤底层材料之前就已经被烧蚀掉了，如图1所示。因此皮秒或飞秒激光脉冲能够从精细或易碎材料中无损去除非常薄的表层。波兰研究人员已经使用强度仅在烧蚀阈值之上的70ps脉冲去除油画表面的透明清漆，并利用光学相干断层扫描技术监控整个去除过程。[1]美国PhotonicsIndustries公司的JoyceKilmer说：“皮秒激光器能够将图案写到火柴头上，却不会让火柴点燃。”

图1：纳秒脉冲和飞秒脉冲加工效果的对比。左图中的纳秒脉冲在烧蚀前会熔化表面材料，并将热量传递到邻近区域，从而影响许多材料。右图中的飞秒脉冲通过多光子离子化烧蚀材料，只有很少的热量传递到邻近的材料中。一般而言，由于皮秒脉冲的能量通常更高，因此皮秒烧蚀的速度更快；相比之下，飞秒烧蚀往往会产生更平滑、更精密的加工表面。实际加工性能取决于脉冲参数、目标材料以及其他方面的考虑。由于烧蚀是将一团材料爆散到光路中，因此重复频率是很重要的因素。对于兆赫兹的重复频率，可能在下一个脉冲发射之前，上一个脉冲产生的材料还没有足够的时间消散。千赫兹的重复频率有足够的时间让材料消散，所以对精密去除材料可能更加有效。
适用的材料
冷烧蚀加工适用于一系列材料，包括金属、半导体、玻璃、晶体和陶瓷。冷烧蚀的典型能量密度阈值在0.05~5J/cm2的范围内，表1中给出了材料对掺镱光纤激光器和钛宝石激光器发射的飞秒脉冲的典型阈值。[2]
超短脉冲对切割或加工易碎材料特别有吸引力，包括玻璃、陶瓷、硅和CIGS（用于薄膜太阳能电池的铜铟镓硒）。利用烧蚀钻孔或切割玻璃可以避免产生裂缝，并获得尖锐、清洁的边缘和表面，如图2所示。对于液晶显示器或手机上使用的超薄玻璃，可以通过沿着一系列冷烧蚀激光孔洞对玻璃进行机械挤压切割成形。这是由于烧蚀是一种具有高阈值的非线性过程，经过聚焦的脉冲，仅在焦斑的中心处的激光功率超过烧蚀阈值，这部分激光脉冲可以钻出小于衍射极限的孔。

图2：超快脉冲实现玻璃的精细加工。a）利用10μJ的355nm脉冲在玻璃上钻出的440μm孔；b）利用355nm脉冲在Pyrex玻璃上铣出2mm的正方形区域。
薄膜加工的工艺过程更为复杂，例如加工硅基底上的石英。这对该应用，德国SolarEnergyResearchHameln研究所的研究人员表示，皮秒脉冲不是自上而下烧蚀石英，而是穿过透明的石英使硅基底熔化，然后蒸发足够的熔化物使薄膜从基底上升起。因此其能量阈值取决于SiO2的厚度。[3]
由于焦点处具有高得多的功率密度，通过高数值孔径光学元件聚焦的皮秒脉冲，能够在玻璃或其他透明材料内部刻蚀结构，而不会影响表面。例如，北京理工大学利用钛宝石激光器的35fs脉冲，横跨单模光纤纤芯刻写出了长周期的光纤布拉格光栅。[4]该光栅在1465~1575nm的波段内产生20dB的衰减。通过诱导体材料玻璃内部的熔融石英波导的双折射，加拿大多伦多大学制造出了2cm长的波长选择性定向耦合器，消光比达24dB。他们认为该分束器“有望为制造三维光电路中的偏振相关设备开辟新的方向”。[5]
纳米粒子和纳米纤维
[paragraph]超快激光器也为脉冲激光沉积提供了新的转折点。纳秒激光脉冲已经成为薄膜沉积的标准，但是它们会将10μm的颗粒溅射到薄膜上。当爱尔兰圣三一学院（TrinityCollege）的研究人员检查纳秒脉冲从银靶上产生的流量时，他们发现离子流量超过了沉积速率，这表明在表面产生了一些自溅射。然而，他们发现飞秒脉冲产生的离子流量只有沉积速率的1%，这表明大部分烧蚀材料形成了纳米粒子。[6]其他研究表明，飞秒脉冲产生的纳米粒子的大小取决于激光通量、气体环境和加工材料。

加拿大RyersonUniversity的研究人员表示，飞秒脉冲容易产生大量致密、纠缠的石英纳米纤维。将掺镱光纤激光器发射的重复频率为12.4MHz的214fs的脉冲序列，以1.17J/cm2的强度聚焦到硅上，可以产生四种类型的纳米纤维丝。其中直径最大的为几百纳米，长度达10mm；最细的纤维直径为几十纳米，长度延伸到数百微米。然而，纤维的缠结使研究变得更加困难。[7]
医学应用
超快脉冲能够干净地实现切割加工，并且不破坏周围区域或形成粗糙的边缘，这对加工医学植入物和实施精细手术至关重要。
对于在动脉阻塞中插入支架和伸缩管、打通动脉以恢复血流来说，光滑的表面尤其重要。人体有时会对植入物起反应，在支架上生长疤痕组织，这会重新阻塞动脉。用超快激光器加工各种材料制成的支架，可以产生非常光滑的表面，从而减少了疤痕组织生长的机会。
在LASIK（激光原位角膜磨镶术）屈光手术中，在角膜表面切割皮瓣以暴露内部组织的应用中，飞秒激光器也已成为标准工具。其主要吸引人之处在于能够比传统手术更准确地切割皮瓣。
现在眼科医生正在将飞秒激光技术扩展到用于实施白内障手术。其中的一个目的是软化眼球晶状体中引起白内障的硬核，从而可以很容易地将其去除；另一个目的是实施去除眼球晶状体所需的切割，并在对眼球其他部位伤害最小的情况下插入替换物。目前有三家公司正在研发可用于上述两种手术的飞秒激光系统。[8]
目前的研究结果非常鼓舞人心。在去年10月举行的美国眼科学会会议上，迈阿密大学医学院BascomPalmer眼科研究所的研究人员报道说，飞秒激光治疗减轻了手术要求，并且减少了晶状体去除过程中的超声暴露。在同一次会议上，俄勒冈健康与科学大学的研究人员报道说，飞秒激光手术避免了关键角膜内皮细胞的损伤，而传统的白内障手术会造成这种损伤。
展望
超快激光加工在很大程度上归功于皮秒激光器和飞秒激光器的产业化，从而使得非专业人员可以在工业和医学环境中使用它们。到目前为止，超快激光器在一些特定应用中已经非常成功，但是其成本和材料去除速度方面仍然存在很大的局限性。然而无论如何，超快激光器在性能上的优势，对于像医疗植入支架和精细眼科手术这样高要求的应用来说，还是非常引人注目的。
参考文献
1.P.Targowskietal.,"PicosecondlaserablationsystemwithprocesscontrolbyOpticalCoherenceTomography,"Proc.SPIE,7391,7391-15(2009).
2.IMRA,TechnicalNoteT-0401,"HighPrecisionMachining";http://www.imra.com/pdf/TechNoteT0401.pdf.
3.S.Hermannetal.,"PicosecondlaserablationofSiO2layersonsiliconsubstrates,"Appl.Phys.A,99,151–158(2010);doi:10.1007/s00339-009-5464-z.
4.B.Lietal.,"Femtosecondlaserfabricationoflongperiodfibergratingsandapplicationsinrefractiveindexsensing,"Optics&LaserTechnol.,43,1420–1423(2011).
5.L.A.Fernandesetal.,"Femtosecondlaserfabricationofbirefringentdirectionalcouplersaspolarizationbeamsplittersinfusedsilica,"Opt.Exp.,19,11992(June20,2011).
6.I.MirzaandJ.G.Lunney,"Fabricationofmetalnanoparticlefilmsusingpulsedlaserdeposition,"30thICPIG,Belfast,NorthernIreland,UK(Aug.28–Sept.2,2011);http://mpserver.pst.qub.ac.uk/sites/icpig2011/187_D13_Mirza.pdf.
7.K.Venkatakrishnanetal.,"Nanofibrefabricationbyfemtosecondlaserablationofsilicaglass,"Opt.Exp.,19,15776(Aug.15,2011).
8.L.He,K.Sheehy,andW.Culbertson,"Femtosecondlaser-assistedcataractsurgery,"CurrentOpinioninOphthalmol.,22,43–52(January2011);doi:10.1097/ICU.0b013e3283414f76.