飛秒激光三維微加工

光機所的生活除了吃、喝、遠方，還有飛秒激光微加工！！！

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我們光機所人都知道，激光器按輸出模式分為連續激光和脈衝激光，而因為能量差異，分別用在通信和切割兩個領域，但是飛秒激光的量級到底是怎樣的概念呢？

打個比方，光在1秒內可以繞地球跑七圈半，而1飛秒內只能走0.3微米，還不到一根頭髮絲的百分之一。脈衝激光每秒產生多少個脈衝就是多少重複頻率的激光，常用的一千赫茲重複頻率的脈衝激光器是指此激光器每秒發射1000個脈衝。但是由於時間間隔非常短，千赫茲重複頻率的激光在人眼視覺範圍內同連續激光是沒有差別的。

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soga！那麼接下來隆重有請飛秒激光三維加工本人！！！

傳統的二維加工只能沿xy面內進行，飛秒激光加工超越平面，可以沿xyz決定的空間中進行。

飛秒激光束由透鏡聚焦在透明介質內，通過逐點逐層掃描可加工出任意的三維形狀結構。如同把石塊塑造成雕像。

脈衝時間的長短決定雕刻的精細度，短脈衝能夠精確的刻畫出稜角，長脈衝只能刻畫出輪廓。納秒激光在介質表面打出直徑幾微米的小孔非常粗糙，而飛秒激光打出的小孔表面則既圓潤又光滑,這是為什麼呢？

脈衝大小決定光與介質相互作用的時間，脈衝時間越長，熱效應就越明顯，而熱效應的存在就會使得加工出的小孔周圍的材料產生條紋、氣泡和微凸起等現象。舉個形象的「栗子」，我們用一個鎚子直接敲平板，結果是砸出一個粗糙的坑，但如果用同樣的力道藉助鑿子作用於平板，結果會大不相同，鑿出來的是精細完美的洞。

此外，飛秒激光對材料的破壞閾值要比長脈衝低，激光束的能量成高斯分布，光斑中心能量最高，因此只要控制光斑中心區域內能量超過材料的破壞閾值，就可以加工遠小於光斑尺寸的小孔，突破了所謂光學上的衍射極限，獲得幾十納米級別的加工精度。如同整個冰山代表飛秒激光光斑，能加工出的小孔的區域就只有露出水面的冰山一角。飛秒激光的光能量超高，在材料加工上有獨特的優勢，如同一把沒有比他更堅硬的雕刻刀，在超精細加工中稱為「飛秒激光微加工」，諸如手機屏幕，特別是硬度高的玻璃，飛秒激光可以像切豆腐一樣對它們進行完美「整形」。

媽耶！飛秒激光厲害哦，那麼至於微加工呢？

飛秒激光三維微加工可分為材料表面加工、材料內部改性、減材加工和增材製造。

材料表面加工與材料內部改性

材料表面加工是飛秒激光通過對材料表面連續精細打孔可以加工出各種結構的圖案，也可以對薄膜材料進行切割。

材料內部改性針對透明材料，飛秒激光聚焦在透明材料內部進行選擇性掃描，光斑掃過的地方材料發生永久改性.飛秒激光聚焦在石英玻璃上，被輻照過的區域折射率改變，我們利用飛秒激光加工石英光波導。

減材加工

減材加工的對象要是玻璃和晶體等透明介質，飛秒激光做減材加工包括：（1）在液體的環境中，聚焦的飛秒激光在透明介質表面向內部進行去除性加工，加工時產生的碎屑會被水流帶走，從而達到連續去除性加工的目的；（2）聚焦的飛秒激光光斑直接在玻璃內部逐點逐層實現材料改性，玻璃中激光光斑掃過區域在氫氟酸或者氫氧化鉀這類化學試劑中會被優先被腐蝕，加工過的玻璃放在這些試劑溶液腐蝕後只留下激光沒有改性的區域。

飛秒激光在玻璃中加工三維通道，這些通道可通入液體進行化學反應和檢測。這樣我們可以把化學實驗室龐大的化學反應平台和生物實驗室的檢測平台集成在一小塊玻璃上，這類集成器件叫微流控晶元。

我們用一小滴血液在這塊微流體晶元上完成在醫院要做的所有檢測，因此微流體晶元在化學、生物醫學上都有廣泛的應用前景。

增材製造

增材加工的加工對象主要是光刻膠，聚焦的激光直接在光刻膠內部逐點逐層實現材料固化，加工結束去掉沒有固化的光刻膠，就只剩製備出的三維結構。利用這種方法加工出各種各樣的微米尺度三維微結構，有幾微米的公牛，可以轉動的微型齒輪，可以活動的微型鏈條。此外我們還可以加工具有特定功能的器件，甚至可以直接加工出微型機器人，機器人大小可以和頭髮直徑媲美！這樣的機器人可以在人體內部檢測和治療。不少讀者應該看過美國科幻大片《蟻人》，未來，飛秒激光三維微加工可以製備出像蟻人那樣靈活的機器人。

除去上述應用，飛秒激光加工還在激光焊接、激光手術、誘導金屬顆粒產生等方面有影響。飛秒激光三維微加工技術獨特的三維精細微結構加工的優點，逐漸成為當代微製造領域的研究熱點，在微電子、微光學、微機電系統和生物醫學等領域都已展露出重要應用前景，並顯現出無可取代的優勢。

上海光機所研究生會

星光編輯部

文：方致偉（三等獎）

編輯：哈密頓

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