用超快激光加工透明材料

超快激光的脈沖持續(xù)時間非常短，熱擴散尺度遠小于激光穿透深度。超快激光能以極快的速度電離材料，并直接形成材料蒸汽和納米級碎片。在整個激光過程中，由于較高電子溫度下的能量不能及時傳遞到材料晶格中，因此可以忽略加工過程中的材料熔化和熱擴散過程。此外，超快激光在加工過程中存在許多非線性效應，可用于打破光衍射極限，將加工尺度縮小到納米級。迄今為止，超快激光已廣泛應用于光波導器件、周期結構器件、微孔、微通道等的制備。

低折射率的材料實際上是用來構成傳統(tǒng)光波導的核心，并包裹著高折射率的材料。當光波從稠密介質發(fā)射到稀疏介質時，當入射角大于某一臨界角時，就會發(fā)生全反射。這一理論構成了任何光波導設備的工作機制。利用超快激光照射透明材料，照射區(qū)域內的折射率會發(fā)生變化，從而使光波被限制在微米級的微小區(qū)域內。目前，超快激光誘導透明材料折射率變化的物理解釋主要包括熔融重熔理論和色心誘導理論。

根據工作區(qū)域折射率的不同，飛秒激光直接寫入的光波導主要分為I型波導和II型波導。I型波導是指使用飛秒激光提高照射區(qū)域的折射率。II型波導是指使用飛秒激光寫入兩條折射率降低的緊密間隔的直線，形成中間區(qū)域作為波導區(qū)域。如圖7所示，虛線圍成的區(qū)域就是導光區(qū)域。

圖7：光波導示意圖。(A)I型波導。(B)II型波導

2022年，B. Wu等人利用飛秒激光在鉭酸鋰晶體（LiTaO₃）中寫入I型和II型波導，制造出集成的1×5分光器，如圖8和圖9所示。由II型波導結構組成的復合軌道包層波導用于光信號傳輸，減少了光子串擾和模場調制。由I型波導結構組成的單線波導用于分束。同年，B.S.Sun人制備了基于飛秒激光的光纖兼容玻璃波導，即球面相位誘導多芯波導（SPIM-WG）。這種波導可實現(xiàn)橫截面的精確變形，并可沿水平和垂直方向精細控制高分辨率的形狀和尺寸。

圖8：摻雜在LiTaO₃晶體中的混合集成分光器(通過飛秒激光直接寫入法制造)示意圖

圖9：使用連續(xù)波激光器（中心波長為632.8nm）的1×5 分光鏡實驗裝置示意圖

這些波導分別具有0.017的高折射率差、0.14dB/cm的低傳播損耗和0.19dB的超低耦合損耗。這些波導可在超寬帶光譜域工作，波長范圍從可見光區(qū)到紅外區(qū)。同時，這些波導還為使用光纖進行輸入和輸出的光子集成電路器件的封裝和集成產業(yè)化鋪平了道路。

通過控制激光功率等參數，飛秒激光還可用于制備透明材料內部和表面的周期性微結構。早在1965年，M. Birnbaum等人就使用線性偏振長脈沖激光照射半導體材料，觀察到其表面出現(xiàn)了一系列周期性條紋，并將其命名為激光誘導周期性表面結構（LIPSS）。當激光脈沖的能量密度接近材料的損傷閾值時，材料表面就會產生一系列周期性波紋。2018年，S.H. Messaddeq等人使用重復頻率為1kHz、脈寬為100fs、頻率為800nm的飛秒鈦藍寶石激光器燒蝕As2S3氯化玻璃，并在材料表面誘導出LIPSS。

通過控制飛秒激光的輻照參數，形成了與入射光束偏振平行的高空間頻率LIPSS波紋。波紋之間還出現(xiàn)了平均直徑約為300nm、深度為200nm的納米間隙。此外，實驗結果還顯示，在高空間頻率LIPSS特征和低空間頻率LIPSS特征之間的過渡區(qū)間，形成了復雜的波紋結構。這些波紋結構呈網格狀，平行于入射光的偏振方向，被稱為交叉疊加LIPSS。

這種交叉重疊的LIPSS，可以通過適當的激光參數燒蝕鈣化玻璃獲得。在激光加工摻雜氧化物、磷酸鹽或氟化物的其他類型玻璃時，從未觀察到過這種LIPSS。在As2S3氯化玻璃中形成網格狀交叉疊層LIPSS被認為主要與兩個因素有關。第一個因素是入射激光束與表面等離子體極化子波之間的相互作用。第二個因素是熱量積累產生的自組織效應。此外，波紋的方向在很大程度上取決于入射光束的偏振方向。這些新型納米結構可能適用于制備一些紅外集成光學器件。

圖10：加工示意圖。(A)激光劃線實驗裝置示意圖。(B)刻蝕方向

超快激光在透明材料的微孔和微通道制造方面也有廣泛的應用。其目的是提高加工效率，同時減少或消除裂縫、邊緣塌陷、錐度等現(xiàn)象。2015年，Songling Xing等選取石英玻璃作為實驗材料，研究了飛秒激光參數對微孔深徑比和形態(tài)的影響。結果表明，飛秒激光脈沖能量和鉆孔速度對微孔的深徑比有顯著影響。同時，他們還分析了使用飛秒激光加工微孔時常見的缺陷。

同年，H. Hidai等人研究了利用紫外激光在玻璃上制造高深徑比孔的過程，并對激光制備過程中的熱量積累進行了數值和實驗分析。他們還研究了熔化閾值與脈沖重復頻率之間的關系。2018年，J. Shin還利用紫外皮秒激光器研究了激光功率、掃描速度和掃描頻率等三個參數對加工質量的影響。相關實驗裝置如圖10所示。

圖11：螺旋環(huán)切割法掃描路徑示意圖

2016年，Pengyu Yin等人對脈沖能量密度、波長、光斑耦合率、處理頻率、重復率、填充間距和聚焦位置等參數進行了系統(tǒng)的實驗研究。這些作者從掃描路徑優(yōu)化和加工環(huán)境改變兩個方面，探討了螺旋環(huán)切割法和水面滲透加工法的加工質量和效率。圖11是采用螺旋環(huán)切割法的掃描路徑示意圖，圖12是采用水面滲透法的加工示意圖。

圖12：滲水法加工示意圖

實驗結果表明，在激光參數和加工時間固定的情況下，與傳統(tǒng)的垂直掃描路徑法相比，螺旋環(huán)切割法的能量密度更高，更容易獲得更大的蝕刻體積。不僅加工效率遠高于傳統(tǒng)的垂直掃描路徑法，而且加工錐度也能顯著減小。水表面滲透加工方法的難點之一，是如何減少激光在水中吸收所造成的能量損失。

利用水中自然產生的渦流，可以清理蝕刻槽中積累的殘留物。此外，由于水的冷卻作用，還可以減少下表面容易出現(xiàn)的二次侵蝕現(xiàn)象，使加工獲得的表面質量得到明顯改善。加工槽內壁的錐度可在一定程度上減小。

2018年，Y. Berg等人利用大光斑尺寸的飛秒紅外激光器，在厚度為1毫米的玻璃靶上實現(xiàn)了深度直徑比為10:1的鉆孔。這一過程依賴于玻璃中非線性克爾效應和多光子吸收之間的平衡；使用大光斑尺寸的激光也有利于厚玻璃的高速加工。同年，E. Markauska等人使用重復頻率為100kHz、波長為532nm的皮秒激光燒蝕鈉鈣玻璃板。通過在玻璃表面添加一層薄薄的水膜，成功地將燒蝕效率提高了12倍。

結論

近年來，透明材料的激光加工已成為激光加工領域的熱門話題。一方面，微電子、生物醫(yī)學和航空航天等眾多領域，對透明材料微納加工的需求急劇增加；另一方面，激光在近幾十年來得到了長足的發(fā)展和廣泛的應用。隨著大量脈沖寬度更短、光束質量更高、類型更多和成本更低的新型激光器的出現(xiàn)，極大推動了激光加工透明材料的發(fā)展。根據材料去除機理的不同，透明材料的納秒激光加工與透明材料的超快激光加工，在相對研究成果上存在一些顯著差異。

納秒脈沖激光器價格便宜，平均功率高，在工業(yè)鉆孔和蝕刻中具有很大的應用優(yōu)勢。但理論研究表明，納秒脈沖激光無法避免熱效應的影響，加工質量明顯受到限制。在提高加工質量方面，目前的重點是加工過程和后處理。在加工過程中，通常采用濕法蝕刻和改變掃描路徑來降低材料的熱應力。加工后通常采用熱回流處理和電化學處理，以降低加工界面的粗糙度，提高形貌質量。目前，納秒激光脈沖通常是高斯分布脈沖。通過改變激光脈沖能量的時空分布，可以有效改善加工過程中材料的能量沉積，提高納秒脈沖激光加工的質量，擴大應用范圍。

雖然利用超快激光對透明材料進行加工的研究比納秒激光的研究更為晚近，但前者因其獨特的特性已引起許多學者的極大關注。超快激光與物質的相互作用中存在許多非線性現(xiàn)象，有可能在理論層面打破光學衍射極限，將加工尺度縮小到納米級。由于超快激光的“冷加工”特性，可以實現(xiàn)微米和納米元件的各種復雜制造工藝。超快激光已廣泛應用于小型光學元件、微流體設備、多功能結構表面和其他設備的加工。然而，超快激光存在重復頻率和平均功率增加等問題，導致實際加工應用中效率低、規(guī)模小。

這些問題確實限制了超快激光在透明材料加工領域的工業(yè)應用。隨著對非衍射激光器、空間脈沖整形、GHz技術、時域脈沖整形、時空聚焦技術等前沿技術的深入研究，加工過程中的各種問題逐步得到改善，透明材料超快激光加工的應用范圍不斷擴大，實現(xiàn)低信噪比光波導、高縱橫比通道、復雜微流控結構等器件的制備指日可待。

來源：榮格-《國際工業(yè)激光商情》

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