飛秒激光微納加工技術(shù)在多種材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用

丁朝俊 胡和平

摘? 要：所謂飛秒激光微納加工，即運用超短脈沖激光的緊聚焦獲得的焦點具有超高能量密度，同材料在微尺度的狀態(tài)下產(chǎn)生非線性反應(yīng)，對材料產(chǎn)生誘導作用，出現(xiàn)“改性”及“成型”等狀況。飛秒激光加工技術(shù)優(yōu)勢明顯，在材料加工領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，受到格外的關(guān)注與重視。該文在這一基礎(chǔ)上，就飛秒激光微納加工技術(shù)在多種材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用作簡要論述。

關(guān)鍵詞：飛秒激光微納加工技術(shù)? 材料? 加工領(lǐng)域

中圖分類號：TG665 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）03（c）-0046-02

當前信息時代下，科學技術(shù)實現(xiàn)了快速發(fā)展，應(yīng)用需求持續(xù)提高，在微納加工上技術(shù)要求更高，要求加工的材料必須具備較高的分辨率，加工技術(shù)能夠在多種材料上應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)真正的三維加工。這些要求都對傳統(tǒng)微納加工技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。在這些新要求下，不斷推動著微納加工技術(shù)的進步與提升。最近幾年的時間里，飛秒激光加工受到了廣泛的關(guān)注與重視，其能夠在多種材料加工領(lǐng)域中應(yīng)用，具備較高的加工精度，是學術(shù)界重點研究的課題。

1? 金屬及半導體材料的表面微加工

表面微加工就是在材料的表面進行微納米級線、孔和凹槽的制備，對加工具有較高的技術(shù)要求[1]。而飛秒激光加工技術(shù)則是開展表面微加工的最有效工具。在最理想的表面微加工狀態(tài)下，應(yīng)該保持材料外部的最小損傷。但是采用傳統(tǒng)的激光技術(shù)進行加工，會產(chǎn)生熱擴散，對加工尺寸產(chǎn)生較大影響。熱擴散會對加工質(zhì)量存在影響，大量的熱會使得材料表面出現(xiàn)裂紋等情況，殘余的應(yīng)力也會損傷材料內(nèi)部。而飛秒激光加工技術(shù)有效改善了這一現(xiàn)象，在飛秒激光加工技術(shù)之下，和金屬產(chǎn)生相互作用，出現(xiàn)線性吸收及雪崩電離，自由電子將飛秒激光的能量吸收實現(xiàn)了電子加熱，將對材料的損傷降至最低[2]。

在金屬及半導體的表面進行飛秒激光的微加工，主要包含以下兩大類微結(jié)構(gòu)：（1）飛秒激光的輻射下產(chǎn)生各類周期性的微納結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)更多地對表面浸潤特性進行調(diào)控;（2）運用飛秒激光將周期性的表面結(jié)構(gòu)進行導出，對表面光學特性進行調(diào)控[3]。

1.1 浸潤特性調(diào)控

固體材料的表面都具有浸潤特性，傳統(tǒng)加工方式下，在金屬及半導體的表面產(chǎn)生浸潤結(jié)構(gòu)主要通過刻蝕法、模板法等[4]。這些傳統(tǒng)加工方式步驟往往較為復雜，且整個加工效率低下，所采用的試劑也具有一定毒性。飛秒激光加工技術(shù)的應(yīng)用，能夠高效快捷地在各種材料表面制備特殊的浸潤結(jié)構(gòu)。在硅的表面，運用飛秒激光加工技術(shù)可以制備微孔的周期結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)內(nèi)部有納米顆粒隨機分布其中。運用化學進行修飾后，表面產(chǎn)生超疏水的特性[5]。在金屬鈦的表面運用飛秒激光加工技術(shù)可以制備微孔陣列，具備水下超疏油特性，對微孔周期排布進行改變，具備油水分離特性。在銅的表面運用飛秒激光加工技術(shù)制備出微米錐形的周期結(jié)構(gòu)，并有納米顆粒分布在這種結(jié)構(gòu)之上，這一表面具備超親水的特性。這些都是運用飛秒激光加工技術(shù)的成功案例。

1.2 光學特性調(diào)控

微納結(jié)構(gòu)在材料的表面形成之后，材料受光的散射、衍射等效應(yīng)影響，會呈現(xiàn)出多種顏色。在不銹鋼的表面運用飛秒激光加工技術(shù)將納米條紋的結(jié)構(gòu)進行誘導，對納米條紋取向進行控制能夠呈現(xiàn)出多種顏色[6]。在銀、鋁等表面運用飛秒激光加工技術(shù)將周期性結(jié)構(gòu)進行誘導，能夠呈現(xiàn)出多種顏色，且表面的反射率同入射的波長存在一定關(guān)聯(lián)。

在一些半導體材料中，也可以實現(xiàn)對光學特性的調(diào)控。運用飛秒激光加工技術(shù)在半導體的硅片表面能夠制備出二維塊狀的周期結(jié)構(gòu)，能夠高效吸收光能量。飛秒激光加工技術(shù)所制備出的這種黑硅可以在光電行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

2? 透明固體材料的內(nèi)部改性

運用飛秒激光加工技術(shù)能夠在晶體、玻璃等透明材料中制備出微納結(jié)構(gòu)，在信息科學及光學領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。通過飛秒激光加工技術(shù)，能夠在透明材料中進行緊聚焦從而制備出微納結(jié)構(gòu)。在透明固體材料的內(nèi)部，被脈沖激光聚焦，光斑內(nèi)具有較高的能量，能夠產(chǎn)生非線性的吸收，使得加工區(qū)域出現(xiàn)局部改性的狀況。對于透明固體材料而言，改變聚焦條件及激光參數(shù)，主要存在以下幾個方面的加工區(qū)域改性。

（1）微孔洞：飛秒激光的能量不斷增強，同材料作用產(chǎn)生等離子，爆炸產(chǎn)生局部的重熔及沖擊波，造成空心微孔洞出現(xiàn)。在介質(zhì)中傳播的飛秒激光具有較高能量，會出現(xiàn)自聚焦的情況，聚焦光板區(qū)域內(nèi)具有高溫高壓，引發(fā)沖擊波，加工區(qū)域材料出現(xiàn)熔化的情況，并擴散至周圍產(chǎn)生微孔洞[7]。

（2）微裂紋：材料在高能量飛秒激光下產(chǎn)生破壞性的光學擊穿，產(chǎn)生了微裂紋。

（3）折射率變化：加工區(qū)域受到非線性效應(yīng)影響，出現(xiàn)原子缺陷及局部致密的情況，導致折射率出現(xiàn)變化。飛秒激光在能量上需要略高于損傷閾值。大量研究及實踐表明，飛秒激光的能量不高，加工區(qū)域折射率存在升高的情況;而飛秒激光的能量較高，材料并未出現(xiàn)損壞情況時，加工區(qū)域折射率則會降低。針對這種折射率上的變化，能夠進行多種類型波導結(jié)構(gòu)的制備。

（4）光學著色：飛秒激光在同材料進行作用時，產(chǎn)生了非線性效應(yīng)，形成了色心，活性離子價態(tài)產(chǎn)生了變化，加工區(qū)域出現(xiàn)光學著色的情況。一般情況下，飛秒激光的能力相比于材料損傷閾值較低，不會對材料產(chǎn)生永久性損傷，熱處理后光學著色現(xiàn)象會自行恢復。

從上述分析能夠看到，飛秒激光針對加工區(qū)域能夠產(chǎn)生不同程度改性，從而制備出多種功能的微納器件。

3? 光聚合材料的內(nèi)部三維成型

光聚合材料具備光敏化學作用。在光聚合材料的內(nèi)部，運用飛秒激光加工技術(shù)可以實現(xiàn)較高分辨率的三維加工，主要原理就是產(chǎn)生了雙光子聚合現(xiàn)象。對飛秒激光進行聚焦，產(chǎn)生雙光子吸收效應(yīng)，作用于光聚合物材料的內(nèi)部產(chǎn)生固化現(xiàn)象，制備出三維的微結(jié)構(gòu)。

通常情況下，光聚合物材料置于可見波段下是透明的狀態(tài)，運用飛秒激光加工技術(shù)進行處理，能夠具備較高的分辨率，加工結(jié)構(gòu)的表面較為光滑，且可以成型復雜的三維結(jié)構(gòu)，在光子晶體、微光學元件及超材料等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。飛秒激光加工技術(shù)的應(yīng)用推動了光通信的發(fā)展，制備出高精度的微光學器件，推動相關(guān)領(lǐng)域科學的不斷進步。

4? 結(jié)語

在材料加工領(lǐng)域，飛秒激光加工技術(shù)擁有領(lǐng)先的微納制造技術(shù)，對材料具有較廣的適應(yīng)性，且加工出的材料具有較高分辨率，產(chǎn)生三維結(jié)構(gòu)，受到廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。隨著時代的不斷發(fā)展與技術(shù)持續(xù)進步，飛秒激光加工技術(shù)將有更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻

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