飛秒激光開始應用到微納加工領域始於(yu) 20世紀90年代初。正是由於(yu) 飛秒激光具有持續時間短及高脈衝(chong) 功率密度的特性，使得其與(yu) 物質相互作用時具有許多獨特的優(you) 點：確定的燒蝕閾值，規則的加工邊緣，層層微加工以及可加工任何材料等。最近研究結果表明：飛秒激光微細加工在微光學、微電子、微機械、微生物、微醫學等多個(ge) 領域具有潛在的應用價(jia) 值。不同學科、不同實驗具有不同的具體(ti) 要求，這就需要采取相應的加工手段來實現特定加工目的，囚此飛秒激光深孔加工技術等加工工藝開始引起越來越多研究者的重視。
        激光整形技術是指在激光腔內(nei) 或腔外采用光學元件改變光束形態實現光束整形。飛秒激光脈衝(chong) 整形有別於(yu) 傳(chuan) 統整形概念，主要是在保留原有高峰值功率特性基礎上，在光路中引人擴束器、濾波器以及衍射模板等光學器件，達到縮小聚焦尺寸、去除高斯光束周圍熒光成分、減少脈衝(chong) 形變及多種形狀加工等目的。常用的是空間濾波和掩模控製技術。空間濾波是實現對光束邊緣熒光的屏蔽效用，實現聚集點光學質量的改善，掩模控製是通過掩模形狀來實現對脈衝(chong) 的調製，以達到確定的加工目的。
        本文采用聚焦物鏡與(yu) 接收材料同步運動的方法，可以很容易地將焦點前後脈衝(chong) 的空間形態在材料表麵以二維平麵圖形式表示出來。在聚焦物鏡前加小孔掩模板，通過小孔直徑及小孔前後脈衝(chong) 能量的變化，可直觀觀察到光束空間形態的改變。最後，實驗選取合適參數，成功刻劃出邊緣光滑的透射型金屬光柵。

1 實驗裝置及方法

       實驗采用的是Clark公司飛秒激光加工工作台（UMW-2110i，Clark-MXR Inc.）。激光具體(ti) 參數為(wei) ：中心波長775nm，脈寬148 Fs，重複頻率1kHz，最大單脈衝(chong) 能量1mJ，在光路上加衰減片可以調整脈衝(chong) 能量，聚焦前光斑直徑5mm；掩模小孔直徑可調範圍為(wei) 0.5～10mm；接收材料為(wei) 噴濺法鍍在溶石英基片上的金膜（厚度約為(wei) 300nm）。飛秒激光經掩模小孔後由5×顯微物鏡（有效焦距為(wei) 40 mm）聚焦金膜表麵。采用物鏡與(yu) 接收平台同步運動的方法，將焦點前後脈衝(chong) 的空間形態以二維平麵圖形式在金膜表麵顯示出來；加工結果采用透射式光學顯微鏡和SEM進行分析測試。實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖

       物鏡由平台承載做向（Z軸）移動，材料由X-Y載，同步運行Z軸和X軸就能夠將焦點附近軸向範圍內(nei) 達到材料閾值的長度在金膜上記錄下來，焦點位置是從(cong) 材料表麵之上移到材料內(nei) 部，與(yu) 此相對應，圖像中是由右到左。結果可以和瑞利長度相比較進行分析。

2 實驗結果分析

       通常的，如果知道激光中心波長，透鏡的焦距f和入射光在透鏡前表麵處的束腰半徑ω，就可以得到瑞利長度Z_R，瑞利長度的表達式為(wei) ：

       式中：ω₀=λ₀f/πω，為(wei) 焦點處束腰半徑。由於(yu) 實驗采用的是物鏡，從(cong) 有效工作距離較難推出真正的束腰半徑，實驗中ω₀采用刀口法測量了焦點處束腰半徑值為(wei) 11.5μm，所以5×顯微物鏡瑞利長度約為(wei) 0.54mm。
而焦點附近軸向範圍內(nei) 光束半徑ω（z）的變化是與(yu) 瑞利長度和焦點處束腰半徑有關(guan) 的函數，如圖2所示，其表達式為(wei) ：

圖2 光束束腰半徑（ω（z））在焦點附近隨傳(chuan) 輸方向變化示意圖

       實驗通過改變圖1中針孔直徑大小，觀察焦點附近光軸方向所能實現燒蝕區域的變化情況，分別采用保持針孔前和針孔後脈衝(chong) 能量不變的兩(liang) 種情形，在金膜表麵記錄下焦點附近光束傳(chuan) 輸形態。圖3為(wei) 上述兩(liang) 種情形下顯微圖像。其中，Z軸和X軸運行速度均為(wei) 0.3mm/s，單脈衝(chong) 能量在小孔前後分別為(wei) 91.7μJ，Z軸和X軸行程均為(wei) 600μm，圖中由上至下針孔直徑依次為(wei) ∞、4mm、3mm、2 mm。

       從(cong) 圖3（a）可以看出，不加針孔（開孔）時，燒蝕區域在焦點附近基本為(wei) 對稱分布，且偏離焦點位置時，燒蝕線寬迅速增加，成紡錐型分布。隨著小孔加入，通光尺寸變小，燒蝕區域線性尺度逐漸降低，聚焦點位置與(yu) 兩(liang) 翼燒蝕線寬差異明顯減少，甚至有遠離透鏡跡象（見針孔直徑為(wei) 2mm的情況）。改變脈衝(chong) 能量而保證小孔後的能量一致，燒蝕現象沒有明矽差異（見圖3（b）），隻是燒蝕線寬有所加大。上述現象通過式（1）和（2）可以很好的解釋：加入小孔後，由於(yu) 孔徑的限製，使得照射到透鏡表麵束腰半徑ω減小，造成焦點處的束腰半徑ω₀有所增加，瑞利長度Z_R變大，因而在式（2）中，焦點附近束腰半徑ω（z）隨z的變化比不加小孔時減弱，宏觀上就得到了圖3中比較平緩的加工結果。

圖3 光束刻痕與(yu) 針孔直徑變化關(guan) 係圖

       圖4和圖5分別給出了開孔以及小孔直徑分別為(wei) 4mm、3mm、2mm時不同脈衝(chong) 能量下（小孔前測得）焦點附近燒蝕形態的變化，Z、X軸行程仍為(wei) 600μm。隨著小孔直徑的減小，透過小孔後的脈衝(chong) 能量將會(hui) 低於(yu) 材料燒蝕閾值。因此，在圖5（a）和圖5（b）中隻有4條燒蝕痕跡，甚至圖5（c）中隻存在3條燒蝕線。
從(cong) 圖4和圖5中可以看出，單脈衝(chong) 能鼉較低時，不管是開孔還是一定針孔作用下焦點附近脈衝(chong) 形狀不存在明顯紡錐型分布，但加針孔後焦點附近光束半徑變化還是舒緩了很多，較利於(yu) 進一步做深加工與(yu) 切割方麵的研究；隨著針孔直徑的降低，能夠實現燒蝕的區域在明顯減小（小於(yu) 瑞利長度），這主要是針孔限製了大部分能量到達材料表麵；小孔直徑為(wei) 4mm時，脈衝(chong) 傳(chuan) 輸形狀受激光能量的影響相對較小；與(yu) 圖3類似，實驗另一個(ge) 現象就是隨著針孔孔徑的減小，聚焦區域的最小束腰半徑處向靠近透鏡方向移動，這一點可以用聚焦束腰半徑與(yu) 聚焦前束腰與(yu) 透鏡前表麵距離的變化關(guan) 係來很好解釋。

圖4 開孔時光束刻痕隨脈衝(chong) 能量變化關(guan) 係圖

圖5 光束刻痕隨脈衝(chong) 能量變化關(guan) 係圖#p#分頁標題#e#

       利用上述實驗結果，實驗采用開孔與(yu) 針孔直徑為(wei) 4mm（單脈衝(chong) 能量為(wei) 90μJ）兩(liang) 種情況分別對金膜和不鏽鋼板進行打孔加工，得到的圖像如圖6～10所示。

圖6 金膜表麵加針孔（D=4mm）時在表麵刻劃的環形圖案

3 結束語

       本文從(cong) 飛秒激光加工工藝研究出發，分析了針孔掩模加工技術對聚焦點處飛秒激光空間傳(chuan) 輸特性的影響。發現聚焦物鏡前加小孔時，激光刻痕或焦點附近束腰變化趨緩；脈衝(chong) 能量大小隻影響刻痕線寬大小。本研究得到了飛秒激光深孔加工的優(you) 化參數，利用該方法可實現在銅箔表麵進行透射型金屬光柵器件的刻劃。