飛秒激光加工微結構及其系統研究進展

姜 濤 楊宏青 樊喜剛 金 亮

(①北京星航機電裝備有限公司，北京 100074;②北京機電工程研究所，北京 100074)

隨著科學技術的快速發展，特別是航空航天、信息、微電子與光電子等尖端技術的突飛猛進，對微結構及器件的需求量在不斷擴大，其所產生的直接經濟效益也在不斷攀升［1］。同時，對微結構及器件的加工精度等關鍵技術指標也提出了越來越苛刻的要求，這無疑給微納制造和超精密加工等相關技術帶來了嚴峻的挑戰。也正如此，微納加工技術已成為當代重要科技攻關項目之一。早在1959年著名物理學家Rechard P.Feynman 就敏銳地觀察到了這一領域在科技方面的巨大潛在推動作用，并預言［2］:系統及結構的微小型化與低溫、高壓物理方面的研究一樣，將具有廣闊的發展空間和重要意義。

機械加工、X 射線、電子束、粒子束和平版刻蝕等加工方法［3］已經在微加工(尺寸小于100 μm)領域逐漸暴露了各自的缺陷。此外，盡管模壓加工，注射成型，電化學和超聲波［4］等微加工技術在科研和工業界得到了廣泛的應用并日趨成熟，但是人們一直沒有放棄對更簡潔、精度更高、更綠色加工方法及工藝的尋求。

1960年世界上第一臺紅寶石激光器發明之后不久，相關學者就演示了聚焦激光束燒穿刀片的效果，顯示了激光束在加工方面的巨大潛力。尤其是進入20世紀80年代，隨著寬帶可調諧激光晶體和自鎖模技術的出現，以藍寶石為介質的新一代飛秒激光器的問世標志著激光加工進入了一個嶄新的發展階段，并于1992年Webb 將飛秒激光引入到了材料微加工領域。圖1 所示是截止2012年我國激光精密加工業的產值變化情況。通過減少或消除間接損傷、等離子體效應和熱擴散的影響，從而在根本上改變了激光與物質相互作用的機制，使超快激光加工成為具有超高精度、超高空間分辨率和超高廣泛性的“冷”處理過程。因此用飛秒激光加工可以獲得更高的加工品質特征［5］，實現了對幾乎所有材料的準三維加工，開創了微加工領域的新紀元。

圖2 給出了飛秒激光微加工的特性［6］，同時它還具有脈沖寬度極短、峰值功率極高等一系列優點。正因為此，激起了人們對其加工機制及應用的研究熱潮。同時這一技術與先進制造技術緊密相關，對關鍵工業生產技術的發展起著重要的推動作用。目前超精密微結構加工領域的競爭核心已經轉變為短波長短脈寬激光(飛秒)加工技術的較量，如美國、日本、德國、韓國等都相繼啟動了飛秒激光與物質相互作用及微結構加工方面研究的國家級項目［7］。

因此深入研究飛秒激光加工微結構的發展趨勢，展示與挖掘其廣闊的應用前景，追蹤國內外應用飛秒激光實現微結構加工及加工平臺的最新進展，將對該領域的發展具有重要的理論與現實意義。

1 飛秒激光加工微結構

實際應用的強烈需求是飛秒激光微加工技術存在與飛速發展的潛在動力。從其一系列優良特性以及一些極端條件的創造，不僅直接帶動了物理、化學、生物、材料、加工等方面的研究在微觀超快領域質的跨越，而且開創了許多全新的研究領域，并且在機械、生物、微電子等領域的應用表現出了旺盛的“生命力”。由于飛秒激光具有眾多獨特的優勢，其在三維雕刻及復雜三維微結構的加工方面也顯露出了獨特的優勢。

本世紀初，日本大阪大學的Kawata 教授［8］就在光敏樹脂內部加工出紅細胞大小(長10 μm，高7 μm)的納米牛(圖3)結構。這是科學家利用飛秒激光雙光子聚合技術首次突破衍射極限獲得120 nm 的加工分辨率，實現了利用雙光子加工技術制造亞微米精度三維結構的目標，并證明應用飛秒激光可以實現復雜形貌的加工。此后，該機構又取得了一系列的突破，同時世界各主要科研單位也紛紛開展了這方面的研究工作。

同時大阪大學Hiroaki Nishiyama 等人［9］利用飛秒激光(波長780 nm，脈沖寬度128 fs，重復頻率100 MHz)，于2009年在玻璃表面加工出了折射率高達1.490 2 的透鏡陣列結構，如圖4 所示。其中每一個透鏡的直徑為38 μm，高為4.5 μm，而且材料去除率更是高達0.05 μm/min。

同年，該機構的科研人員［10］利用四束波長為780 nm 的飛秒激光首次在鍍有金膜的Si 基表面加工出了“納米皇冠”結構，如圖5 所示。從而進一步顯示了飛秒激光在微雕工藝方面的巨大潛力。

圖6 是Loeschner D.在耐熱玻璃上加工的水渠道微結構［11］。盡管該結構的精確性、表面和底端形態有待進一步改進，但是其邊緣質量良好，充分展示了飛秒激光在復雜三維流體微通道加工方面的應用潛力。

飛秒激光還可以對硬脆材料實現微結構的高效去除(0.01～1 μm/脈沖)加工。愛荷華州立大學的Dong 等人［12］利用飛秒激光對SiC 材料的去除機理和微結構成型過程進行了研究。結果表明，高能量和低能量對材料的去除過程完全不同:高能量時以熱過程為主，而在低能量時則表現出較強的多光子破壞效應。根據實驗結果，該小組利用能量分別為0.5 μJ 和1 μJ的飛秒激光在SiC 膜層加工出了微電機轉子(直徑約為100 μm)和諧振腔，結構如圖7 所示。

美國普渡大學Xu 所率領的團隊也一直致力于飛秒激光微結構加工技術等方面的研究工作［13］，并取得了一系列重要的成果。圖8 所示為利用飛秒激光分別在基體材料內部和表面加工的普渡大學的圖標。

隸屬于韓國科學技術院的Shin Wook Yi 研究小組［14］基于飛秒激光雙光子吸收技術進行了大量的理論與實驗研究工作。所用飛秒激光器的相關參數為:重復頻率80 MHz，波長780 nm，脈沖寬度小于100 fs。在實驗過程中，先將所要加工的三維實體模型進行數據處理生成計算機可以識別的加工代碼，然后進行加工。圖9a 所示為利用該技術加工出來的朝鮮半島的微型結構，曝光時間為5 ms，平均功率為5 mW，加工點之間的距離為48 nm。圖9b 所示是在輸出功率為4 mW，曝光時間為4 ms 的條件下加工出來的“思考者”的微結構。

值得一提的是德國漢諾威激光中心的飛秒激光微加工研究小組在該領域已經取得了舉世矚目的成果［15-17］。利用飛秒激光微加工技術在聚合物材料上加工的維納斯雕像，其分辨率可達120 nm，并將其鑲嵌在頭發絲上(圖10a);還制作出了腿長1 μm，高約為30 μm 的蜘蛛(圖10b)，同時還有其他一系列復雜的微結構(圖10c，d)。

此外該小組的Niko B?rsch［18］等人還利用飛秒激光加工的優勢，結合CAD 模擬仿真技術對氧化鋯陶瓷實現了精細三維微結構的加工。在沒有改變陶瓷材料本身屬性的前提下，實現了牙齒修復時對高精度的要求。不僅與人體組織結構具有良好的兼容性，也大大提高了加工效率(如圖11 所示)。這充分說明飛秒激光在復雜三維曲面的高精度加工中的能力。

在國內較早開展飛秒激光加工微結構并取得重要進展的典型代表就是中國科學院理化技術研究所有機納米光子學實驗室和北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室。

段宣明和董賢子等人于2007年基于飛秒激光微加工技術，采用段段掃描的方式成功制作了直徑約為10 μm 的二維實驗室(圖12a)圖標［19］和三維千里馬［20］微結構。其平均掃描速度已經達到100 μm/s 以上。同時采用并行加工方式加工出了微齒輪結構，然后將其進行裝配，結果如圖12b 所示。

在微觀尺度上加工微結構，任一微小缺陷都會給器件性能帶來巨大影響。當線條特征尺度小于100 nm時，不僅直接測量非常困難，而且收縮是光聚合材料制備微結構過程中存在的一個難題。北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室的科研人員［21］提出了在聚合結構上添加周期性分布的點或直接用周期性結構的變化測量納米聚合線條收縮的方法。通過這種方法，不僅發現了聚合結構的非均勻收縮現象，而且還發現懸空聚合線條不僅存在收縮，而且還被拉伸，長度2 μm，寬度40 nm 的線條拉伸率高達75%。這為制備高精度三維納米聚合物結構提供了重要依據。并制備出了用于微機械系統的微彈簧結構，其結構如圖13 所示。

此外，上海大學的N.H.Ma［22］等人利用脈寬為150 fs，波長800 nm，重復頻率為250 kHz 的飛秒激光圖14 在室溫下直接將銀的納米粒子沉積在硅玻璃表面。利用這種方法在玻璃表面形成了2008年北京奧運會的精美圖標(圖14)。起初銀原子通過捕獲銀離子而將原子的數目減小，然后通過高重復頻率的飛秒激光產生熱量的沉積，使銀原子發生移動并沉積。該項技術將在三維彩色工業藝術品以及集成光學開關的制造上具有巨大的市場前景。

利用飛秒激光微加工技術在多種材料上加工的上述這些高度復雜的微結構，不僅顯示出了該項技術無可比擬的加工優勢，同時也展示了其廣闊的應用前景。

2 飛秒激光微加工系統

“工欲善其事，必先利其器”。飛秒激光問世以來，以鈦寶石晶體為主的增益介質、克爾透鏡鎖模和半導體可飽和吸收鏡等技術促使著它從染料激光器發展到自動克爾透鏡鎖模激光器，以及后來的二極管泵浦全固態飛秒激光器和飛秒光纖激光器。優質、高效、穩定、可靠、廉價的光源是進行激光微加工的應用前提。系統在沿飛秒激光產生放大系統的輸出光束方向上設置反射鏡，反射鏡與輸出光束的負向夾角為45°，沿反射后的光軸方向在反射鏡下方設置了多軸聯動的微動工作臺，在反射鏡和多軸聯動微動工作臺中間的光軸方向上設有聚焦透鏡，并在反射鏡上方設置CCD 傳感器，飛秒激光產生放大系統、多軸聯動微動工作臺、CCD 傳感器和LCD 監視器連接在工控機上。該加工中心能夠對高熔點、高硬度和高脆性等特種功能材料進行準三維加工。

中國科學技術大學和北京工業大學的相關科研人員［32］對飛秒激光功能微部件加工技術進行了研究。通過研究，不僅建立了一套面向高分子材料的飛秒激光微加工、原位觀測、光驅動、微裝配多功能集成實驗平臺和一套面向金屬及金屬粉末材料的短波長激光微加工系統，還取得了多項原創性的研究成果。合成了多種適用于飛秒激光微加工和三維信息存儲的新型材料;實現了多種具有實際應用前景的三維功能微部件的制造。如直徑為15 μm 的光折變微透鏡、直徑為17 μm 的菲涅爾微透鏡、周期為1.5 μm 的8 層光子晶體，并測試了上述微部件的光學性能。同時還研制了直徑6 μm 的三維微轉子并實現光驅動旋轉，實現了齒輪組的微裝配和傳動。

華中科技大學陸培祥等［33］于2006年10月發明了一種不銹鋼懸臂梁的飛秒激光加工方法。首先使用軟件設計出懸臂梁的形狀與尺寸，然后將不銹鋼板材置于工作臺上，依照設計尺寸，利用飛秒激光對厚度小于1 mm 的不銹鋼板材進行掃描刻蝕，直至懸臂梁與不銹鋼板材基體完全脫離。使用飛秒激光的能量密度為50～300 J/cm2，脈沖寬度45～100 fs，加工掃描速度為50～200 μm/s。加工精度優于1 μm;加工過程中可以很好地避免氧化現象的產生，無濺污、重鑄殘渣現象，無熱影響區。

通過上述分析，不難看出，先進的飛秒激光微加工系統的成功問世以及商業化為歐美等發達國家在該領域取得的領先地位提供了重要的物質基礎。盡管中國的相關研究院所也對飛秒激光微加工系統進行了一些原創性的設計與制造，但與發達國家相比還存在較大差距。因此加快飛秒激光微加工系統的開發是提升我國在該領域研究進程的首要任務。通過以上分析也充分表明，隨著超短脈沖激光技術的進一步發展以及具有高可靠性的商用飛秒激光器的進一步完善，飛秒激光微加工技術將會取得更大的進展，并在眾多領域獲得更為廣泛的應用。

3 總結與展望

本文詳細研究與探討了飛秒激光微加工技術所面臨的巨大機遇與挑戰，同時結合基于飛秒激光加工的復雜微結構在等眾多領域的應用，展示了該領域巨大的發展空間及應用前景。最后針對飛秒激光微加工系統進行了詳細的描述，綜述了目前國內外在微系統開發方面的最新進展。

飛秒激光微加工技術還處于起步階段，該技術的發展和應用仍有一系列關鍵的技術問題亟待解決:

(1)光學以及加工領域的相關生產商應該加大力度投資生產飛秒激光微加工系統，在穩步提升其加工特性的基礎之上，將其外形結構進一步規范化、體積進一步小型化，并降低系統的復雜性，尤其是要改善其微加工工作環境的適應性，延長其壽命并要大幅提升系統的可靠性，以及數控化和自動化程度，從而推進其在科研以及工業生產中的發展進程。

(2)飛秒激光微加工技術目前主要還局限于實驗室研究階段，因此應盡快探索出一條該技術發展的產業化途徑，從而為加快解決高精密微結構在機械、材料科學、生物醫療、航空航天、電子通訊等國家急需的重大產業等領域的應用提供強大的技術支撐。并進一步拓展該技術的應用領域。

(3)要進一步大幅提升飛秒激光微加工效率方案的探討。與刻蝕技術相比，盡管其加工效率獲得了極大提高。但就其昂貴的激光源及加工組件而言，該項技術的產出效率仍然較低。要想實現加工微小結構的成本大大降低，效率大幅提升，一種有效的方式就是利用該技術加工微小模具，然后進行復制加工。

(4)要不斷拓寬飛秒激光加工材料的領域，以滿足對層出不窮的新材料的成形及微加工的迫切需求。盡管已從理論上證實該技術可以對幾乎所有的材料實現精密加工，但目前還主要集中在有機聚合材料、金屬和透明等材料方面。而對于超硬材料的加工研究的卻較少，如碳化硅、碳化鎢和金剛石等。而這些材料正是加工微小模具的理想選擇。

同時，通過與國外在該項技術的發展狀況相比較，可以看出國內在飛秒激光微加工領域還存在著非常大的差距，主要表現在如下幾個方面:

(1)研究與生產飛秒激光器的單位不多，研制飛秒激光微加工系統的公司基本空白。

(2)完全用國產元件搭建的飛秒激光源及其微加工系統甚少。

(3)國內飛秒激光微加工技術的發展進程基本上停留在實驗室階段，還沒有形成產業化與商業化。

盡管存在著較大差距，但是國內的一些科研機構在該項技術上的研究也已經取得了長足的進步，獲得了可喜的成績。可以肯定，隨著工業需求的擴大和飛秒激光微加工技術的進一步發展，它將會不斷地開辟新的研究領域，推動我國國民經濟的發展，具有廣闊的應用前景。

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