透明材料超快激光微加工

由於(yu) 激光微加工技術是用於(yu) 透明材料的一種新的製造技術，因此可以預見微加工技術應用於(yu) 意想不到的領域。

從(cong) 掌上型和可穿戴式顯示器到通信和計算係統，光子設備現已遍及全球。製造光子器件必不可少的材料是透明材料，例如玻璃，聚合物和晶體(ti) ，我們(men) 通常希望它們(men) 具有透明和寬帶的透明性，穩定性以及多種成分。聚焦的超快激光脈衝(chong) 會(hui) 在這些透明材料中引起非線性吸收效應，從(cong) 而使我們(men) 能夠在材料的表麵或內(nei) 部進行微加工。這種被稱為(wei) 超快激光微加工的技術已經有了多種應用，例如切割、鑽孔、波導耦合器和分路器的直接寫(xie) 入、光學動態記憶，甚至玻璃和玻璃、玻璃和金屬或玻璃和陶瓷之間界麵的焊接或接合技術。

超快激光脈衝(chong) 與(yu) 材料的相互作用在材料加工和微加工中有潛在的應用。在超快光脈衝(chong) 中，由於(yu) 光能被限製在很短的時間內(nei) ，所以可以獲得很高的峰值功率。與(yu) 連續波和長脈衝(chong) 激光的微加工相比，超快激光有幾個(ge) 優(you) 點：創建微型結構結構、對周圍環境沒有附帶損害、清潔的工藝外觀、小的熱影響區(HAZ)、沒有改變材料性質、以及具有透明的材料表麵或內(nei) 部結構。超快激光微加工是超快激光應用的一個(ge) 快速發展的領域。因為(wei) 加工過程不依賴於(yu) 激光波長的線性吸收，所以實際上任何電介質、金屬或機械硬材料都可以通過相同的激光束進行加工，以進行表麵燒蝕和內(nei) 部修飾。

超快激光可用於(yu) 微加工多種材料：金屬、聚合物、半導體(ti) 、透明材料等。然而，材料的性質，尤其是光學和熱學性質，需要選擇合適的激光參數進行修改。要在材料上進行超快激光微加工，必須選擇合適的激光操作參數，例如：激光波長、重複率、激光功率、掃描通量、脈衝(chong) 持續時間、偏振、束斑尺寸和質量。以下圖片顯示了激光操作參數對透明材料激光微加工的影響。

圖1. 激光通量（每個(ge) 脈衝(chong) 的能量在括號中給出）有所變化：（a）12.1 J / cm 2（170μJ）（b），12.9 J / cm 2（180μJ），（c）15.0 J / cm 2（210μJ）。

圖2. SEM顯微照片，顯示了在激光鑽孔和切割後堆積在彈坑內(nei) （a和b）和碎片（c和d）內(nei) 部和外部的碎片。

圖3. 在515 nm波長下通過10 ps的10 ps激光脈衝(chong) 的10遍產(chan) 生的50微米厚的硼矽玻璃上的切口的SEM顯微照片。

圖4. 激光產(chan) 生的溝槽的SEM圖像證明了應變對激光加工質量的影響。

超快激光脈衝(chong) 微加工的一個(ge) 顯著特征是透明材料的內(nei) 部微加工。當近紅外超快激光脈衝(chong) 聚焦在玻璃體(ti) 內(nei) 時，焦點體(ti) 積中的強度變得足夠高以引起非線性吸收，這導致焦點體(ti) 積中玻璃的局部改變(如下圖）。

使用超快激光脈衝(chong) 的微加工技術被用於(yu) 在透明材料中製造光子器件。通過在各種各樣的玻璃中平移超快激光脈衝(chong) 的焦點，這種技術已用在三維空間中集成光子器件，包括波導、耦合器和光柵。作為(wei) 空隙形成在透明材料中的應用，已經報道了3D光學數據存儲(chu) ，其中空隙或納米光柵的出現表示二進製值，而空隙的不存在表示二進製值。

使用超快激光脈衝(chong) 形成的大塊玻璃中的空隙陣列。

超快激光玻璃微加工最有吸引人的應用之一是直接製造生物芯片，如微流體(ti) 、光流體(ti) 、微全分析係統，以執行生化樣品的反應、檢測、分析、分離和合成。為(wei) 了在玻璃內(nei) 部創建三維微流體(ti) 結構，廣泛采用了兩(liang) 種方法，即液體(ti) 輔助超快激光鑽孔和超快激光輔助濕化學蝕刻。

在液體(ti) 輔助超快激光鑽孔中，如下圖超快激光3D燒蝕從(cong) 與(yu) 蒸餾水或其他液體(ti) 接觸的玻璃後表麵開始。潤濕液在其形成過程中滲入激光鑽孔的通道中，並極大地促進了清除限製在所形成的狹窄微流體(ti) 通道內(nei) 的燒蝕碎屑，從(cong) 而顯著減輕了深鑽時的碎屑堵塞問題。

液體(ti) 輔助超快激光鑽孔示意圖