超短、超強和高聚焦能力是飛秒激光的3大特點。 飛秒激光脈寬可短至4 fs(1 fs=10-15s)以內(nei) …，峰值 功率高達拍瓦量級(1 Pw=1015w)聚焦功率密度達到1020-1022W／cm2。飛秒激光可以將其能量全部、快速、準確地集中在限定的作用區域，實現對玻璃、陶瓷、半導體(ti) 、塑料、聚合物、樹脂等材料的微納尺寸加工，具有其它激光加工(laser oem)無法比擬的優(you) 勢：①耗能低，無熱熔區，"冷"加工；②可加工的材料廣泛：從(cong) 金屬到非金屬再到生物細胞組織，甚至是細胞內(nei) 的線粒體(ti) ；③高精度、高質量、高分辨率，加工區域可小於(yu) 焦斑尺寸，突破衍射極限；④對環境沒有特殊要求，無汙染。飛秒激光微加工是當今世界激光、光電行業(ye) 中極為(wei) 引人注目的前沿研究方向。世界各國學者在飛秒激光與(yu) 材料相互作用機理研究方麵已取得重大的進展，開發出以鈦寶石激光器為(wei) 主的飛秒激光微加工係統，開展了飛秒激光微納加工的工藝研究，促進了多學科的融合，推動著飛秒激光微納加工技術向著低成本、高可靠性、多用途、產(chan) 業(ye) 化的方向發展。飛秒激光微加工技術將在超高速光通訊、強場科學、納米科學、生物醫學等領域具有廣泛的應用和潛在的市場前景。本文旨在綜述飛秒激光微加工技術國內(nei) 外的研究狀況，介紹飛秒激光微加工的重要應用，展望其今後的發展趨勢。

　　1 國內(nei) 外飛秒激光微加工技術研究狀況

　　1．1飛秒激光微加工基礎理論的研究

　　飛秒激光加工(laser oem)機理的研究、試驗大多是探索陛的，多與(yu) 長脈衝(chong) 情形相比較而確定飛秒激光的燒蝕特性，在一定程度上解釋了飛秒激光與(yu) 物質相互作用的物理本質。目前理論研究較係統的材料有金屬和透明介質。

       (1)金屬前蘇聯Anisimov SI等人於(yu) 1975年第一次提出了超短脈衝(chong) 燒蝕金屬材料的雙溫模型。該模型從(cong) 一維非穩態熱傳(chuan) 導方程出發，考慮到超短脈衝(chong) 作用時，存在光子與(yu) 電子、電子與(yu) 晶格兩(liang) 種不同的相互作用過程，列出了電子與(yu) 晶格的溫度變化微分方程，即雙溫方程。一些學者以該模型為(wei) 基礎，在不同的激光脈寬下對雙溫方程進行約化，求得解析解"-。發現當激光脈寬遠遠小於(yu) 晶格的受熱時間時，燒蝕時間不依賴於(yu) 激光脈寬。試驗得到的金屬銅材料的燒蝕速率與(yu) 雙溫模型基本一致。1999 年，Falkovsky L A和Mishchenko E G基於(yu) 玻爾茲(zi) 曼方程和費米狄拉克配分函數提出熱電子爆炸模型來描述金屬材料中的超快形變。2002年，chen J K等人綜合雙溫模型及電子爆炸模型，假定單軸應變三維高壓條件，提出了一係列相關(guan) 聯的瞬時熱彈性變形方程。數值結果表明，超短激光脈衝(chong) 燒蝕過程中，非熔融態損傷(shang) 占支配地位，這種非熔融態損傷(shang) 的主要動力來源於(yu) 熱電子爆炸力。

        (2)透明介質 1990年，Hand D P和RusseU P St J根據K-K(Kmmers-Kronig)因果關(guan) 係提出了色心模型，該模型的前提是假設光敏效應產(chan) 生於(yu) 缺陷處局域電子的激發。在一定範圍內(nei) 解釋了折射率變化的原因。但RusseU、Williams等人分別通過吸收光譜測量及進行K．K變換發現得到的折射率變化與(yu) 實驗結果有兩(liang) 個(ge) 數量級的差異。隨後有學者提出了偶極模型、壓力模型、應力壓縮模型等。1997年，哈佛大學Maur E領導的小組研究了飛秒激光在熔融SiO2、BK7光學玻璃等透明材料內(nei) 部產(chan) 生的微爆炸現象。除化學氣相沉積金剛石外，均導致了直徑為(wei) 亞(ya) 微米的立體(ti) 像素，通過分析表明：飛秒激光在透明介質中引發的強烈自聚焦效應使激光焦斑尺寸小於(yu) 衍射極限，微爆炸形成一個(ge) 微腔，腔周圍是高密度材料。2002年，德國 Henyk M等人分析了飛秒激光燒蝕藍寶石，表明燒蝕的基本過程是由於(yu) 表麵爆炸即庫侖(lun) 爆炸所引起的。另外，該小組還研究了飛秒激光燒蝕NaCl及BaF2等寬帶隙晶體(ti) 材料，同樣證實了庫侖(lun) 爆炸的合理性。2003年，Egidijus Vanaga8等人采用納焦能量的飛秒激光在硼酸矽玻璃形成丘狀納米結構，燒蝕機理與(yu) 庫侖(lun) 爆炸相一致。丘狀燒蝕物沒有明顯的熔融和環形凹痕，受損部位的橫向尺寸小於(yu) 聚焦樣品表麵的焦斑4至5倍，這與(yu) 多光子效應所導致的破壞機理相一致。總之，關(guan) 於(yu) 飛秒激光與(yu) 材料相互作用的物理機製，目前還沒有一個(ge) 統一的看法，這個(ge) 問題仍然是未來研究的熱點。

1．2飛秒激光微加工係統的發展現狀

       飛秒激光出現以來，啁啾脈衝(chong) 放大、以鈦寶石晶體(ti) 為(wei) 主的增益介質、克爾透鏡鎖模。和半導體(ti) 可飽和吸收鏡等技術促使著它從(cong) 染料激光器發展到自啟動克爾透鏡鎖模激光器，以及後來的二極管泵浦全固態飛秒激光器和飛秒光纖激光器。為(wei) 滿足科研和生產(chan) 進一步發展的要求，國內(nei) 外學者仍然致力於(yu) 飛秒激光器研究，紛紛搭建起微加工係統。飛秒激光係統由振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器4部分組成。表1是近年來國內(nei) 外最具有代表性的飛秒激光器、微加工係統。從(cong) 表l可以看出：①輸出脈寬大約幾百飛秒，真正短到幾飛秒的甚少，因而平均功率較低，限製了它在商業(ye) 中的應用，生產(chan) 效率較低；②工作穩定性提高，壽命延長，如暢銷全球的CPA- 21××係列的種子光有20年的平均無故障時間；③實現MHz的重複頻率輸出；④可調諧波長範圍變廣，加工精度、光束質量較高；⑤利用它的超快特性，逐漸實現三維精細加工。但飛秒激光係統在小型化、可調可控性、實用性、全光纖等方麵還有很大的發展空間。

       另外，對比國內(nei) 外的發展狀況，可以看出國內(nei) 存在的差距：①國內(nei) 生產(chan) 飛秒激光器、微加工係統的知名公司較少；②完全用國產(chan) 元件搭建的飛秒激光係統甚少；③國內(nei) 飛秒激光微加工基本上停留在實驗室研究階段，真正用於(yu) 超快、微加工領域實際生產(chan) 的極少。

2 飛秒激光微加工技術的應用

2．1飛秒激光加工(laser oem)微結構

       基於(yu) 能量高度集中、熱影響區小、無飛濺無熔渣、不需特殊的氣體(ti) 環境、無後續工藝、雙光子聚合加工精度可達0．7μm等優(you) 勢，飛秒激光在誘導金屬微結構加工應用方麵和精細加工方麵都取得了很大的進展。

     (1)孔加工在1mm厚的不鏽鋼薄片上，飛秒激光進行了具有深孔邊緣清晰、表麵幹淨等特點的納米級深孔加工(如圖1a)；在金屬薄膜上，鈦寶石飛秒激光加工(laser oem)製備出了微納米級陣列孔(如圖1b)，孔徑最小達2.5μm，孔直徑在2．5～10μm間可調，最小間距可達10μm，很容易實現10-50μm間距調整。

        (2)金屬材料表麵改性1999年，德國漢諾威激光中心Nolte S等人首次報道了結合鈦寶石飛秒激光三倍頻光(260 nm)和SNOM(掃描近場光學顯微鏡)在金屬鎘層製出了線寬僅(jin) 200 nm的凹槽。為(wei) 以後的無孔徑近場掃描光學顯微鏡(ANSOM)取代SNOM奠定了基礎，獲得了高達70 nm的空間分辨率，開拓了遠場技術在納米範圍下的物理化學特性以及輸運機製的研究。

        (3)金屬納米顆粒加工自1993年Henglein A等人首次利用激光消融法製備金屬納米顆粒以來，許多研究小組製備出高純度、粒度分布均勻的金屬納米顆粒。Link H等人進一步控製飛秒激光的能流密度和照射時間，將金屬納米棒完全融化為(wei) 金屬納米點。與(yu) 其它激光脈衝(chong) 相比，飛秒激光改變的金屬顆粒尺寸大小和特定形狀，使金屬納米顆粒特別是貴金屬(Au、Hg、Pt、Pd等)在催化、非線性光學、醫用材料科學等領域具有廣闊的應用前景。

        (4)金屬掩模板加工 新加坡南洋科技大學Venkatakrishnan K等人利用飛秒激光直寫(xie) 方法製作了以金屬薄膜為(wei) 吸收層、石英為(wei) 基底的金屬掩模板，並將前入射與(yu) 後入射兩(liang) 種方案作了比較，發現采用前入射的方法能夠得到更小的特征尺寸和好的邊緣質量。並且利用飛秒激光超衍射極限加工有效地修補了金屬鎘掩模板的缺陷，修複的線寬達到小於(yu) 100 nm的精度。目前構建的飛秒激光修正光掩模板工具已在IBM的柏林頓、佛蒙特州的掩模製作設備中運行。這對微電子技術的發展將具有重要意義(yi) 。

      (5)複雜的微結構加工①耐熱玻璃上的水渠道結構(圖2)，邊緣質量較好。但結構的精確性、表麵和底端形態還有待改進；②光敏樹脂裏麵製作的世界上最小的人造動物模型：10μm長，7μm高的公牛；③ScR500樹脂內(nei) 製備的約10μm的微型金字塔和房子模型；④光刻膠上飛秒雙光子聚合(Two- Photon P01ymerization：TPP)的微型蜘蛛和恐龍模型(圖3)等。

這些都為(wei) 飛秒激光加工(laser oem)將在高密度內(nei) 聯接印刷電路板、MEMS製造、微納米過濾技術中具有良好的工業(ye) 應用前景奠定了基礎。

2．2光通信領域

       光通信的高速率、大容量和寬帶寬的發展方向，要求光電器件的高度集成化。而集成化的前提是光電器件的微型化。因此，光電器件的微型化是當前光通信領域研究的前沿和熱點。近年來，相比傳(chuan) 統的光電技術，飛秒激光微加工技術將成為(wei) 新一代光電器件的製造技術。國內(nei) 外學者在光波導的製備技術等諸多方麵進行了有益的探索，取得了很大的進展。

(1)光波導的製備光波導易於(yu) 和光纖通信係統耦合且損耗小，在頻域中呈現出豐(feng) 富的傳(chuan) 輸特性，成為(wei) 光纖器件的研究熱點。與(yu) 離子注入法和熱擴散型離子交換法等目前常用的製作方法相比，飛秒激光製作波導在室溫環境下進行，過程簡單，波導結構在高溫時仍 能保持良好的質量和穩定性。美國學者用飛秒激光製備的增益光波導長1 cm，可產(chan) 生3 dB／cm的信號增益。大阪大學的Watanabe W等用85 fs、重複 頻率l kHz、單脈衝(chong) 能量1．5 μJ的鈦藍寶石激光製作 的多模幹涉波導陣列，實現了高階模輸出。目前， 利用計算機精密控製飛秒激光加工(laser oem)平台，可以在材料內(nei) 部的任意位置製得任意形狀的二維、三維或單模光波導。

        (2)光柵的製備光柵在光通訊、色散補償(chang) 、光纖傳(chuan) 感等領域中發揮著不可替代的作用。光產(chan) 業(ye) 的發展，對光柵提出了更高的要求：①不同幾何形狀排列，如六角陣列光柵；②在光纖內(nei) 部刻劃，如Bragg(布拉格)光纖光柵。傳(chuan) 統加工方法工序繁雜、製作的光柵穩定性差、壽命短。而飛秒激光微加工克服了這些缺點，永久性改變折射率，改變量高達0．05，實現直接刻劃，順應了現代光柵微型化和多樣化的發展趨勢。Mihailov S等人采用鈦寶石飛秒激光在摻鍺通信光纖纖芯上獲得的反射Bragg光柵，具有折射率調製範圍廣，溫度穩定性高的特點。

       (3)光子晶體(ti) 的製備光子禁帶和光子局域是光子晶體(ti) 的兩(liang) 大特征，使其極有可能取代大多數傳(chuan) 統的光學產(chan) 品。但是微米甚至亞(ya) 微米級三維複雜光子晶體(ti) 的製備技術是急需解決(jue) 的關(guan) 鍵問題。飛秒激光雙光子聚合法靈活，加工精度高，是製備光子晶體(ti) 的理想選擇。Sun H B等人采用飛秒激光製出任意晶格的光子晶體(ti) ，它能單獨地為(wei) 單個(ge) 原子選址。serbin J等人采用飛秒激光雙光子聚合得到結構尺寸小於(yu) 200 nm，周期為(wei) 450 nm的三維微結構和光子晶體(ti) ㈣J。Markus Deubel采用飛秒激光直接掃描法製出應用於(yu) 無線電通信的三維光子晶體(ti) 。國內(nei) 的戴起勳等製出杆、層間距均5μm，共4層，分辨率為(wei) 1．1μm的層狀木堆型光子晶體(ti) (如圖4)。

       (4)光存儲(chu) 使用高分辨率存儲(chu) 材料無疑會(hui) 增加記錄密度，而采用超短激光進行亞(ya) 微米級操作會(hui) 得到更好的效果。飛秒激光多光子吸收作用引起材料的永久性光致還原現象，為(wei) 超高密度三維立體(ti) 光存儲(chu) 提供了一個(ge) 全新的思路，存儲(chu) 密度可達1013bits／cm3。其特點：①快速的數據讀、寫(xie) 、擦寫(xie) 、重寫(xie) ；②並行數據隨機存取；③相鄰數據位層間串擾小；④存儲(chu) 介質成本低。飛秒激光三維立體(ti) 光存儲(chu) 技術成為(wei) 當前海量存儲(chu) 技術發展的一個(ge) 新研究方向。

(5)微通道的製備聚合物力學性能好，具有生物相容性，而且飛秒激光光束幾乎可以毫無衰減地到達透明材料內(nei) 部的聚焦點，入射激光唯有在該點位置才能獲得較高的功率密度，發生非線性多光子吸收和電離，實現材料內(nei) 任意部位三維微結構的直寫(xie) 。采用150 fs鈦藍寶石脈衝(chong) 激光在聚甲基丙烯酸甲脂(Polymethyl Methacrylate：PMMA)內(nei) 製備出最小直徑2μm、最長達10 mm的微通道(如圖5)，道壁光滑且沒有裂紋，沒有損壞透明材料表麵，這種微通道將廣泛用於(yu) 生物醫學技術如DNA拉伸、微統計分析係統等。

2．3生物醫療領域

       飛秒激光具有"冷"加工、能量消耗低、損傷(shang) 小、準確度高、三維空間上嚴(yan) 格定位的優(you) 點，最大限度地滿足了生物醫療的特殊要求：①手術風險低，可對同一患處進行多次手術，治療愈合周期短；②相比傳(chuan) 統手術刀，醫源性感染少；③"全激光"手術，無刀勝有刀，精確度高；④無痛，無並發症。

      目前，在此方麵取得的研究進展有：①在牙齒、隱形眼鏡上鑽孔，邊緣幹淨、無損傷(shang) ；②非熱性手術切割燒蝕腦組織樣品b51；③納米切割人體(ti) 染色體(ti) ；④製作血管支架，力學性能好，可望解決(jue) 血管再狹窄問題，即治療冠心病；⑤飛秒激光飛行質譜DNA排序；⑥飛秒激光激發的熒光顯微術對小鼠植入前胚胎內(nei) 細胞中的鈣信號和染色體(ti) 實現真正的三維、四維實時成像。等。最具有現實意義(yi) 的是美國INTRALASE公司的Intmlase飛秒激光，可以按任何角度、形狀設計製作光滑而且厚度均勻一致的角膜瓣，精確到±10μm。至今Intralase飛秒激光的LASIK手術已經超過30萬(wan) 例，臨(lin) 床統計它的精度要超過傳(chuan) 統角膜刀 100多倍。IntraLase"飛秒激光"的出現，使人類第一次在眼角膜手術上離開了手術刀，真正實現了"全程無刀手術"。現在科研者正努力將其用於(yu) 青光眼及白內(nei) 障等手術中。在生物醫學中，飛秒激光僅(jin) 局限為(wei) 一種外科手術工具，要想將其廣泛用於(yu) 醫學診斷、生物活體(ti) 檢測、蛋白質分析等方麵，還有許多技術層麵上的問題需要研究和解決(jue) 。#p#分頁標題#e#

       此外，飛秒激光微加工技術在一些特殊領域具有廣闊的應用前景：①鑽孔、切割高熱導性、高熔點金屬 (如錸、鈦等)和高硬度金剛石。②安全切割一些高爆危險物品如：LX-16、TNT、PETN、PBx等，避免了長脈衝(chong) 激光線性吸收、能量轉移和擴散等的影響，斷麵處沒有炸藥熔化和反應的痕跡。但在研究切割雷管時，由於(yu) 熱感度較高，處理過程中發生了爆炸H1|，應該深入研究分析，使之能夠被安全切割。③利用飛秒激光觀測分析物理化學反應本質，有望控製核聚變，以獲得可控的無汙染核聚變能源。④將光頻與(yu) 波頻聯係起來的飛秒光梳技術，為(wei) 更精確的頻率機構一光鍾的誕生鋪平了道路。

3 展望

       飛秒激光微加工還處於(yu) 起步階段，該技術的發展和應用還需解決(jue) 一係列的關(guan) 鍵技術問題：(1)目前沒有形成一套完整的理論來解釋：在超快、超短、超強的極端條件下，激光與(yu) 物質相互作用的物理本質；(2)加大力度投資生產(chan) 飛秒激光器、微加工係統，將其體(ti) 積進一步小型化；改善其微加工的工作環境，延長其壽命等； (3)針對飛秒激光微加工的特性以及被加工材料的屬性，開發模型設計的軟件，對加工過程進行模擬和仿真，實現最佳參數加工；(4)飛秒激光微納加工應用現階段都隻局限於(yu) 實驗室階段，盡快探索其產(chan) 業(ye) 化途徑，解決(jue) 一些在能源、材料、環境、航天以及國防方麵國家急需解決(jue) 的問題；(5)降低加工成本，實現高效率生產(chan) ，以滿足市場需求。

可以肯定，隨著工業(ye) 需求的擴大和技術的進步，飛秒激光微加工技術將會(hui) 變得越來越成熟，它將會(hui) 不斷地開辟新的研究領域，具有廣闊的應用前景。