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超快激光微纳加工：原理、技术与应用
	曾用价	90.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2016年08月
	开本	16
	著编译者	程亚 等
	页数	0
	ISBN编码	9787030494535

内容介绍
超快激光微纳加工是指通过皮秒或飞秒激光脉冲与材料相互作用，对材料进行高品质结构加工或改性的一门尖端技术，具有加工精度高、热效应小、独特的三维微纳加工能力以及被加工材料多样性等显著优势，在基础科学与现代工业中均获得了广泛应用。本书重点介绍超快激光微纳加工的背景与原理，超快激光的特性与技术发展现状，超快激光脉冲时空整形，超快激光对材料的表面处理，基于双光子聚合的飞秒激光三维直写，透明介电材料内部的三维光子学集成，飞秒激光直写制备微流控芯片和集成光流器件，以及超快激光加工在现代工业中的应用。

目录
丛书序
序言
前言
第1章 超快激光加工概述001
1.1超快激光加工介绍001
1.2超快激光加工的特点002
1.2.1热影响区的抑制002
1.2.2降低等离子体屏蔽003
1.2.3多光子吸收003
1.2.4材料内部改性004
1.2.5电介质中的载流子激发004
1.2.6超快激光加工的空间分辨率004
1.3超快激光材料处理005
1.3.1表面微加工005
1.3.2表面微纳结构制备007
1.3.3纳米烧蚀008
1.3.4双光子聚合009
1.3.5透明材料的内部改性010
1.3.6生物医学应用012
1.3.7工业和商业应用013
参考文献014
第2章 超快激光技术简介021
2.1超快激光技术021
2.1.1掺钛蓝宝石激光器021
2.1.2啁啾脉冲放大技术022
2.1.3飞秒光纤激光器023
2.1.4薄片激光器024
2.2飞秒激光脉冲诊断技术024
2.2.1飞秒脉冲的自相关测量025
2.2.2频率分辨光学开关法025
2.2.3自参考光谱相位相干电场重建法026
2.3飞秒激光材料加工技术028
2.3.1飞秒激光直写技术028
2.3.2飞秒激光并行微纳加工技术029
2.4飞秒激光脉冲整形技术031
2.4.1飞秒激光脉冲的时域整形技术031
2.4.2飞秒激光脉冲的空间整形技术032
2.4.3飞秒激光脉冲的时空整形技术033
2.4.4飞秒激光脉冲的偏振整形033
参考文献034
第3章 超快激光脉冲时空整形039
3.1飞秒脉冲时域整形039
3.1.1飞秒脉冲整形简介039
3.1.2双/多脉冲加工044
3.1.3脉冲时域自适应控制045
3.2飞秒光束空间整形047
3.2.1激光直写截面控制047
3.2.2多光束并行处理049
3.2.3自适应光束空间整形050
3.3飞秒激光时空聚焦051
3.3.1时空聚焦原理简介051
3.3.2时空聚焦三维各向同性直写052
3.3.3时空聚焦三维光刻054
3.3.4脉冲前沿倾斜和焦面强度倾斜055
3.4光束整形加工应用举例056
3.4.1无衍射光束加工056
3.4.2脉冲偏振整形加工058
3.4.3飞秒激光超分辨加工059
参考文献060
第4章 超快激光对材料的表面处理065
4.1飞秒激光加工薄膜材料065
4.1.1飞秒激光对薄膜材料的烧蚀065
4.1.2薄膜表面的微凸起结构067
4.2材料表面的钻孔与切割068
4.2.1表面钻孔068
4.2.2表面切割069
4.3飞秒激光诱导表面周期结构070
4.3.1飞秒激光诱导表面周期结构的特点070
4.3.2飞秒激光诱导表面周期性结构的形成机理073
4.4硅表面微锥结构074
4.5飞秒激光诱导表面微纳米结构的应用076
4.5.1材料表面光学特性调控076
4.5.2表面浸润特性调控080
4.5.3生物化学应用082
参考文献083
第5章 基于双光子聚合的飞秒激光三维直写089
5.1双光子聚合的原理089
5.2双光子聚合的分辨率091
5.3材料的功能化093
5.4光学元件的加工095
5.5微纳机械的加工097
5.6微流体器件的加工098
5.7医学和生物组织工程中的应用099
5.8三维金属微纳结构的加工101
参考文献102
第6章 透明介电材料内部的三维光子学集成106
6.1利用飞秒激光实现透明介电材料内部改性的原理概述106
6.2透明材料内部中三维光波导的制备107
6.2.1制作波导的影响因素108
6.2.2波导的制作方式110
6.2.3不同材料110
6.3光子器件的制备114
6.3.1分束器114
6.3.2定向耦合器115
6.3.3马赫曾德尔干涉仪115
6.3.4频率转换器117
6.3.5有源光子器件117
6.3.6集成量子光子回路118
6.3.7其他微光学器件120
6.4高品质光学微腔121
6.4.1在玻璃上制备高品质的光学微腔122
6.4.2制备高品质的晶体微腔123
参考文献125
第7章 飞秒激光直写制备微流控芯片和集成光流器件134
7.1飞秒激光辅助湿法化学刻蚀制备微流结构135
7.2水辅助飞秒激光直写制备微流结构139
7.3水辅助飞秒激光直写制备纳流结构144
7.4飞秒激光直写实现光流控集成146
7.4.1自由空间微光学元件和微流控系统的集成146
7.4.2光波导和微流控系统的集成149
7.4.3集成芯片在生物医学研究中的应用150
参考文献152
第8章 超快激光加工在现代工业中的应用158
8.1表面处理158
8.1.1抗摩擦损耗结构158
8.1.2浮雕和成型模具159
8.1.3光电子功能性修饰161
8.2高精度钻孔162
8.3精密切割165
8.3.1透明介质165
8.3.2半导体和金属165
8.3.3危险化学物品167
8.4透明材料三维加工应用169
8.4.1激光三维标记与光存储169
8.4.2激光玻璃焊接170
8.5医疗应用举例172
8.5.1医用支架加工172
8.5.2激光手术173
参考文献175
索引177

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第1章
超快激光加工概述超快激光（即皮秒和飞秒激光）在材料加工中具有加工精度高、热效应小、可实现三维微加工等诸多优点，因此已经被广泛应用于基础研究和实际应用中。本章介绍超快激光加工的特点，并概述各种超快激光加工技术，包括表面微加工、微纳结构制备、双光子聚合、透明材料内部改性，以及生物医学和工业应用。
1.1超快激光加工介绍
超快激光通常指脉冲宽度短于百皮秒的激光，包括飞秒激光和皮秒激光。1987年，Srinivasan等［1］和Küper等［2］率先开展了利用超快激光进行材料加工的工作。他们利用紫外超快激光在PMMA衬底上获得了非常干净的激光打孔，在孔的周边几乎没有热影响区形成。他们发现与纳秒激光相比，利用超快激光进行材料加工时，烧蚀阈值可以大大降低。随后，进一步的研究表明超快激光因其极高的峰值光强可以通过多光子吸收效应在透明材料（如氯化钠、PTFE等）衬底上实现干净的烧蚀［3，4］。这些早期的工作对该领域的发展产生了巨大的影响，并在20世纪90年代获得了迅猛的发展。由于超快激光加工所能够提供的不可取代的独特优越性，同时也得益于高性能超快激光技术的持续发展，目前超快激光在基础研究和多种应用研究中已成为常用的工具。
超快激光加工的一个重要特点是大大减少了热能向加工区域的扩散［5］，显著降低了热影响区的形成，从而可以对生物组织等软物质［6］以及半导体、绝缘体等硬或脆的材料［7］进行高质量的微加工。同时，抑制热能向周围区域的扩散也为获得纳米尺度加工的空间分辨率提供了必要的前提［8］。此外，如果超快激光辐照的强度接近烧蚀阈值，会在各种材料上形成纳米条纹，条纹的周期可远小于辐照激光波长［912］。超快激光加工的另一个重要特点是能够引发非线性吸收（即多光子吸收），可以使原本对光透明的材料发生强烈的光吸收［3，4］。多光子吸收过程使得超快激光不仅可以对透明材料（如玻璃、聚合物等）的表面进行加工，还可以对其内部进行三维（3D）微加工［1316］。同时，多光子吸收的非线性过程天然地提供了**衍射极限的激光加工精度［17］。
另一方面，超快激光系统性能的快速提高也显著地促进了超快激光加工研究的发展。20世纪80年代飞秒激光加工的早期研究中使用的是飞秒紫外（UV）准分子激光。20世纪90年代，钛宝石再生放大器中的啁啾脉冲放大（CPA）技术［18］的产生开启了超快激光加工基础研究的新局面。21世纪初，稳定可靠且紧凑的光纤啁啾脉冲放大器（FCPA）的发展［19］促进了应用方面的研究。*近，利用掺有稀土元素的激光介质，经半导体激光泵浦可以实现紧凑的高功率超快激光系统［20］。目前，这类可用于工业领域的皮秒激光器已商业化。
本章首先描述超快激光加工的特点，然后概述各种用于制造光子器件和生物微芯片以及生物医学和工业应用的加工技术，包括表面微加工、表面微纳结构制备、纳米烧蚀、双光子光聚合、透明材料的内部改性、生物医学和工业应用等。
1.2超快激光加工的特点
1.2.1热影响区的抑制
超快激光脉冲加工通常被认为是一个非热过程。由于超快激光脉冲脉宽仅为几十飞秒到几个皮秒，可以抑制激光作用区周围的热影响区的形成，从而可以实现高质量的微加工。以高热导率的金属为例，我们比较一下在飞秒和纳秒激光脉冲辐照条件下金属中的热扩散长度。当激光脉宽短于激光与物质相互作用中电子声子耦合时间（1～100 ps），大部分激光能量被电子吸收，并迅速被转移给晶格，而无热扩散损耗［5］。所以，激光辐照区域周围的热扩散可以忽略。对于大多数金属，电子声子耦合时间为皮秒量级［21］，比超快激光脉宽长很多。在这个区域，当金属被超快激光辐照加热到接近熔点Tim时，热扩散长度ld为（1.1）
其中，D为热导率，Ci为晶格热容，C′e为Ce/Te（Ce是电子热容，Te是电子温度），γ是电子声子耦合常数［22］。例如，当铜被超快激光加热到其熔点Tim＝1356 K时，ld的计算值为329 nm［23］。
另外，当激光脉宽τ比电子声子耦合时间长很多时，ld近似为（1.2）
其中，κ是热扩散系数。当τ＝10 ns时，铜的ld为1.5μm，这是传统纳秒激光（如准分子激光）的典型值。所以，利用超快激光进行材料加工时可以明显降低热扩散长度，这意味着减小了加工区周边的热影响区，提高了加工的精度和质量。值得注意的是，当超快激光脉冲的重复频率足够高时，相继脉冲间的热累积效应导致的热扩散作用将不能被忽略。
1.2.2降低等离子体屏蔽
在激光烧蚀过程中，脉冲辐照之后的百皮秒左右会产生烧蚀等离子体［24］。对于纳秒脉冲，这个等离子体会屏蔽随后的激光辐照，从而导致部分脉冲能量被损耗掉。当使用超快激光时，在烧蚀等离子体形成前，激光辐照就已结束，因此有效增强了材料对光脉冲能量的吸收，可以提高加工效率。
1.2.3多光子吸收
由于非线性多光子吸收，超快激光可以在原本透明的材料中诱导强烈的光吸收［3］。图1.1显示了诱导电子激发的单光子和多光子吸收过程。传统的光吸收指线性的单光子吸收，当单光子能量超过材料带隙时，材料吸收单个光子，导致一个电子从价带被激发到导带。如果单光子能量小于带隙，则在线性条件下无法激发电子，没有吸收。然而，当入射到材料的光子密度极高时（即极高的光强），即使光子能量小于带隙，电子也可以被多个光子激发，这个现象就是多光子吸收。超快激光因其极高的峰值功率可以很容易地实现多光子吸收。因此，即使在对光透明的材料中，超快激光也可以引发强烈的光吸收，从而对诸如玻璃等透明材料进行高质量的微加工。
图1.1材料中的电子激发过程
1.2.4材料内部改性
图1.2超快激光在透明材料中进行三维加工的示意图［25］
多光子激发需要同时吸收多个光子来完成电子跃迁，是一个非线性光学过程，因此它的产生需要很高的激发光强，只有当激光强度高于某一阈值时，多光子吸收过程才可以被高效率地激发，这一阈值取决于材料自身的特性和激光脉宽。当高能量的超快激光光束经透镜聚焦到透明材料中时（图1.2），多光子吸收仅发生在几何焦点附近光强较高的区域［25］。所以，可以利用超快激光对透明材料的内部进行改性加工［13，14］。材料内部改性加工已被广泛应用于三维光波导、微光学元件、微流通道等的制备中。
1.2.5电介质中的载流子激发
超快激光辐照在诸如玻璃等电介质中会引发以下电子激发和弛豫过程［26］。电子首先通过多光子吸收或者隧穿电离（当Keldysh参数γ远小于1，此参数由激光电场强度、波长和材料电离势决定）从价带激发到导带。激发的电子可以依次吸收多个光子，从而被激发到更高的能态。在这种态下，自由载流子吸收的效率很高。另外，对于足够高的光强，激发的电子被强电场加速，与周围原子碰撞，产生额外电子（雪崩电离）。一些自由电子经过弛豫俘获存储在电子空穴对中的能量，形成自陷激子。这个弛豫过程通常在激光辐照完成后1ps内开始。一些自陷激子在几百皮秒内通过弛豫形成**性缺陷。玻璃加热同样发生在激光辐照的几十皮秒后，辐照区域在几十微秒后恢复到室温，导致材料修饰或损坏。当超快激光在玻璃中被聚焦到高于临界强度时，可以观测到由于加热导致的熔融［27，28］。这种熔融已被用来焊接玻璃衬底［29，30］。此外，激光重复频率超过几百千赫兹时会产生显著可控的热累积效应，这可以用于刻写具有圆形截面的低损耗光波导［27，28］。
1.2.6超快激光加工的空间分辨率
正如1.2.2节讨论的，超快激光脉冲抑制了热能向加工区域周围扩散，提高了材料加工的空间分辨率。当一个10ns的激光脉冲被聚焦到与激光波长相同大小的光斑（一般几百纳米到1μm）并辐照到铜靶上时，激光作用区域面积将显著大于光斑尺寸，因为热扩散长度是1.5μm。相反，由于超快激光辐照中的热扩散几乎可以被忽略，加工区域将被限制在光斑尺寸范围。
在相同波长下，与单光子吸收相比，利用多光子吸收可以进一步增强空间分辨率。理想情况下，超快激光束的强度呈高斯型分布，如图1.3中粗虚线所示。对于单光子吸收过程，材料吸收的激光强度的空间分布与原本的激光强度分布的线型相同。然而，对于多光子吸收过程，吸收能量的空间分布会随多光子吸收的阶数（n）的增加而变窄，因为n光子吸收系数正比于激光强度的n次方。因此，与n光子吸收过程所对应的有效光束尺寸ω为（1.3）
其中，ω0是聚焦光束的实际尺寸。图1.3显示了透明材料的双光子（实线）和三光子（细虚线）吸收对应的吸收能量的空间分布。根据式（1.3），多光子吸收的空间分辨率会远小于波长。此外，若激光诱导的材料物理或化学特性变化对激光强度的依赖存在一个阈值（只有高于此阈值时，吸收激光能量才能引发光致反应），加工精度可以通过调节光强来进一步提高。例如，激光能量被调节到与图1.3中阈值强度的直实线相匹配时，加工精度可以降至光斑尺寸的40%［31］。因此，非线性多光子吸收可以实现亚衍射极限的空间分辨率［17］。
1.3超快激光材料处理
1.3.1表面微加工
正如1.2.1节和1.2.2节提到的，利用超快激光烧蚀材料，可以有效抑制热扩散，实现材料的冷加工。图1.4（a）和（b）分别展示了利用脉宽为200fs和3.3ns的激光脉冲，在100μm厚的薄钢片上钻孔的扫描电子显微镜（SEM）图［32］。其中飞秒激光参数为： 脉宽200 fs， 脉冲能量120 μJ，波长780nm，能量密度0.5 J/cm2；纳秒激光参数为： 脉宽3.3 ns， 脉冲能量1mJ，波长780 nm，能量密度4.2 J/cm2。图中标尺长度为30m。由图可知，飞秒激光烧蚀产生的烧孔具有尖锐的边缘和陡峭的侧壁，几乎形成明显的热影响区。相比之下，纳秒激光烧蚀则在烧孔周围产生了很大的熔融区。
图1.4飞秒激光（a）和纳秒激光（b）在100μm厚钢片上烧蚀钻孔的表面形貌SEM图［32］
图1.5飞秒激光烧蚀在玻璃中进行表面微加工（a）和材料切割（b）的SEM图［33］
超快激光可以对诸如玻璃等易碎的材料进行高质量的微加工。图1.5（a）和（b）分别是利用飞秒激光烧蚀对玻璃材料进行表面微加工和切割的SEM图。两幅图都反映出干净的烧蚀，边缘尖锐且无裂缝产生［33］。
超快激光微加工的一个应用是制备具有特定形状的打印喷头。松下美国分公司首次利用皮秒激光生产了大量不锈钢材质的漏斗形打印喷头［34］。
超快激光微加工的另一个应用是制备冠状动脉支架，可以代替搭桥手术对动脉硬化进行*小侵入式治疗。常规的医疗支架一般由不锈钢或记忆合金制备，需要对这些材料进行后期的化学处理，以获取医学所需的特性，如生物兼容性等。基于镁的合金或特殊的生物聚合物具有更好的生物兼容性。然而，这些材料在高温下会发生化学变性，无法利用传统的纳秒激光开展加工。超快激光微加工可以克服这些问题，因为该技术是冷加工过程，产生的热影响区极小。图1.6是利用飞秒激光制备的医疗支架的原型，支架材料为生物可吸收的聚合物。该方法制备的支架无须后期处理［35］。飞秒激光微加工技术非常适合处理软物质或高熔点金属等功能材料。
图1.6利用飞秒激光制备的医疗支架［35］