飛秒激光加工微結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)研究進展

姜 濤 楊宏青 樊喜剛 金 亮

(①北京星航機電裝備有限公司，北京 100074;②北京機電工程研究所，北京 100074)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是航空航天、信息、微電子與光電子等尖端技術(shù)的突飛猛進，對微結(jié)構(gòu)及器件的需求量在不斷擴大，其所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益也在不斷攀升［1］。同時，對微結(jié)構(gòu)及器件的加工精度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)也提出了越來越苛刻的要求，這無疑給微納制造和超精密加工等相關(guān)技術(shù)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。也正如此，微納加工技術(shù)已成為當(dāng)代重要科技攻關(guān)項目之一。早在1959年著名物理學(xué)家Rechard P.Feynman 就敏銳地觀察到了這一領(lǐng)域在科技方面的巨大潛在推動作用，并預(yù)言［2］:系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)的微小型化與低溫、高壓物理方面的研究一樣，將具有廣闊的發(fā)展空間和重要意義。

機械加工、X 射線、電子束、粒子束和平版刻蝕等加工方法［3］已經(jīng)在微加工(尺寸小于100 μm)領(lǐng)域逐漸暴露了各自的缺陷。此外，盡管模壓加工，注射成型，電化學(xué)和超聲波［4］等微加工技術(shù)在科研和工業(yè)界得到了廣泛的應(yīng)用并日趨成熟，但是人們一直沒有放棄對更簡潔、精度更高、更綠色加工方法及工藝的尋求。

1960年世界上第一臺紅寶石激光器發(fā)明之后不久，相關(guān)學(xué)者就演示了聚焦激光束燒穿刀片的效果，顯示了激光束在加工方面的巨大潛力。尤其是進入20世紀(jì)80年代，隨著寬帶可調(diào)諧激光晶體和自鎖模技術(shù)的出現(xiàn)，以藍(lán)寶石為介質(zhì)的新一代飛秒激光器的問世標(biāo)志著激光加工進入了一個嶄新的發(fā)展階段，并于1992年Webb 將飛秒激光引入到了材料微加工領(lǐng)域。圖1 所示是截止2012年我國激光精密加工業(yè)的產(chǎn)值變化情況。通過減少或消除間接損傷、等離子體效應(yīng)和熱擴散的影響，從而在根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用的機制，使超快激光加工成為具有超高精度、超高空間分辨率和超高廣泛性的“冷”處理過程。因此用飛秒激光加工可以獲得更高的加工品質(zhì)特征［5］，實現(xiàn)了對幾乎所有材料的準(zhǔn)三維加工，開創(chuàng)了微加工領(lǐng)域的新紀(jì)元。

圖2 給出了飛秒激光微加工的特性［6］，同時它還具有脈沖寬度極短、峰值功率極高等一系列優(yōu)點。正因為此，激起了人們對其加工機制及應(yīng)用的研究熱潮。同時這一技術(shù)與先進制造技術(shù)緊密相關(guān)，對關(guān)鍵工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動作用。目前超精密微結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域的競爭核心已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎滩ㄩL短脈寬激光(飛秒)加工技術(shù)的較量，如美國、日本、德國、韓國等都相繼啟動了飛秒激光與物質(zhì)相互作用及微結(jié)構(gòu)加工方面研究的國家級項目［7］。

因此深入研究飛秒激光加工微結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，展示與挖掘其廣闊的應(yīng)用前景，追蹤國內(nèi)外應(yīng)用飛秒激光實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)加工及加工平臺的最新進展，將對該領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

1 飛秒激光加工微結(jié)構(gòu)

實際應(yīng)用的強烈需求是飛秒激光微加工技術(shù)存在與飛速發(fā)展的潛在動力。從其一系列優(yōu)良特性以及一些極端條件的創(chuàng)造，不僅直接帶動了物理、化學(xué)、生物、材料、加工等方面的研究在微觀超快領(lǐng)域質(zhì)的跨越，而且開創(chuàng)了許多全新的研究領(lǐng)域，并且在機械、生物、微電子等領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)出了旺盛的“生命力”。由于飛秒激光具有眾多獨特的優(yōu)勢，其在三維雕刻及復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的加工方面也顯露出了獨特的優(yōu)勢。

本世紀(jì)初，日本大阪大學(xué)的Kawata 教授［8］就在光敏樹脂內(nèi)部加工出紅細(xì)胞大小(長10 μm，高7 μm)的納米牛(圖3)結(jié)構(gòu)。這是科學(xué)家利用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)首次突破衍射極限獲得120 nm 的加工分辨率，實現(xiàn)了利用雙光子加工技術(shù)制造亞微米精度三維結(jié)構(gòu)的目標(biāo)，并證明應(yīng)用飛秒激光可以實現(xiàn)復(fù)雜形貌的加工。此后，該機構(gòu)又取得了一系列的突破，同時世界各主要科研單位也紛紛開展了這方面的研究工作。

同時大阪大學(xué)Hiroaki Nishiyama 等人［9］利用飛秒激光(波長780 nm，脈沖寬度128 fs，重復(fù)頻率100 MHz)，于2009年在玻璃表面加工出了折射率高達(dá)1.490 2 的透鏡陣列結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。其中每一個透鏡的直徑為38 μm，高為4.5 μm，而且材料去除率更是高達(dá)0.05 μm/min。

同年，該機構(gòu)的科研人員［10］利用四束波長為780 nm 的飛秒激光首次在鍍有金膜的Si 基表面加工出了“納米皇冠”結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。從而進一步顯示了飛秒激光在微雕工藝方面的巨大潛力。

圖6 是Loeschner D.在耐熱玻璃上加工的水渠道微結(jié)構(gòu)［11］。盡管該結(jié)構(gòu)的精確性、表面和底端形態(tài)有待進一步改進，但是其邊緣質(zhì)量良好，充分展示了飛秒激光在復(fù)雜三維流體微通道加工方面的應(yīng)用潛力。

飛秒激光還可以對硬脆材料實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的高效去除(0.01～1 μm/脈沖)加工。愛荷華州立大學(xué)的Dong 等人［12］利用飛秒激光對SiC 材料的去除機理和微結(jié)構(gòu)成型過程進行了研究。結(jié)果表明，高能量和低能量對材料的去除過程完全不同:高能量時以熱過程為主，而在低能量時則表現(xiàn)出較強的多光子破壞效應(yīng)。根據(jù)實驗結(jié)果，該小組利用能量分別為0.5 μJ 和1 μJ的飛秒激光在SiC 膜層加工出了微電機轉(zhuǎn)子(直徑約為100 μm)和諧振腔，結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

美國普渡大學(xué)Xu 所率領(lǐng)的團隊也一直致力于飛秒激光微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)等方面的研究工作［13］，并取得了一系列重要的成果。圖8 所示為利用飛秒激光分別在基體材料內(nèi)部和表面加工的普渡大學(xué)的圖標(biāo)。

隸屬于韓國科學(xué)技術(shù)院的Shin Wook Yi 研究小組［14］基于飛秒激光雙光子吸收技術(shù)進行了大量的理論與實驗研究工作。所用飛秒激光器的相關(guān)參數(shù)為:重復(fù)頻率80 MHz，波長780 nm，脈沖寬度小于100 fs。在實驗過程中，先將所要加工的三維實體模型進行數(shù)據(jù)處理生成計算機可以識別的加工代碼，然后進行加工。圖9a 所示為利用該技術(shù)加工出來的朝鮮半島的微型結(jié)構(gòu)，曝光時間為5 ms，平均功率為5 mW，加工點之間的距離為48 nm。圖9b 所示是在輸出功率為4 mW，曝光時間為4 ms 的條件下加工出來的“思考者”的微結(jié)構(gòu)。

值得一提的是德國漢諾威激光中心的飛秒激光微加工研究小組在該領(lǐng)域已經(jīng)取得了舉世矚目的成果［15-17］。利用飛秒激光微加工技術(shù)在聚合物材料上加工的維納斯雕像，其分辨率可達(dá)120 nm，并將其鑲嵌在頭發(fā)絲上(圖10a);還制作出了腿長1 μm，高約為30 μm 的蜘蛛(圖10b)，同時還有其他一系列復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)(圖10c，d)。

此外該小組的Niko B?rsch［18］等人還利用飛秒激光加工的優(yōu)勢，結(jié)合CAD 模擬仿真技術(shù)對氧化鋯陶瓷實現(xiàn)了精細(xì)三維微結(jié)構(gòu)的加工。在沒有改變陶瓷材料本身屬性的前提下，實現(xiàn)了牙齒修復(fù)時對高精度的要求。不僅與人體組織結(jié)構(gòu)具有良好的兼容性，也大大提高了加工效率(如圖11 所示)。這充分說明飛秒激光在復(fù)雜三維曲面的高精度加工中的能力。

在國內(nèi)較早開展飛秒激光加工微結(jié)構(gòu)并取得重要進展的典型代表就是中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所有機納米光子學(xué)實驗室和北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室。

段宣明和董賢子等人于2007年基于飛秒激光微加工技術(shù)，采用段段掃描的方式成功制作了直徑約為10 μm 的二維實驗室(圖12a)圖標(biāo)［19］和三維千里馬［20］微結(jié)構(gòu)。其平均掃描速度已經(jīng)達(dá)到100 μm/s 以上。同時采用并行加工方式加工出了微齒輪結(jié)構(gòu)，然后將其進行裝配，結(jié)果如圖12b 所示。

在微觀尺度上加工微結(jié)構(gòu)，任一微小缺陷都會給器件性能帶來巨大影響。當(dāng)線條特征尺度小于100 nm時，不僅直接測量非常困難，而且收縮是光聚合材料制備微結(jié)構(gòu)過程中存在的一個難題。北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室的科研人員［21］提出了在聚合結(jié)構(gòu)上添加周期性分布的點或直接用周期性結(jié)構(gòu)的變化測量納米聚合線條收縮的方法。通過這種方法，不僅發(fā)現(xiàn)了聚合結(jié)構(gòu)的非均勻收縮現(xiàn)象，而且還發(fā)現(xiàn)懸空聚合線條不僅存在收縮，而且還被拉伸，長度2 μm，寬度40 nm 的線條拉伸率高達(dá)75%。這為制備高精度三維納米聚合物結(jié)構(gòu)提供了重要依據(jù)。并制備出了用于微機械系統(tǒng)的微彈簧結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖13 所示。

此外，上海大學(xué)的N.H.Ma［22］等人利用脈寬為150 fs，波長800 nm，重復(fù)頻率為250 kHz 的飛秒激光圖14 在室溫下直接將銀的納米粒子沉積在硅玻璃表面。利用這種方法在玻璃表面形成了2008年北京奧運會的精美圖標(biāo)(圖14)。起初銀原子通過捕獲銀離子而將原子的數(shù)目減小，然后通過高重復(fù)頻率的飛秒激光產(chǎn)生熱量的沉積，使銀原子發(fā)生移動并沉積。該項技術(shù)將在三維彩色工業(yè)藝術(shù)品以及集成光學(xué)開關(guān)的制造上具有巨大的市場前景。

利用飛秒激光微加工技術(shù)在多種材料上加工的上述這些高度復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，不僅顯示出了該項技術(shù)無可比擬的加工優(yōu)勢，同時也展示了其廣闊的應(yīng)用前景。

2 飛秒激光微加工系統(tǒng)

“工欲善其事，必先利其器”。飛秒激光問世以來，以鈦寶石晶體為主的增益介質(zhì)、克爾透鏡鎖模和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡等技術(shù)促使著它從染料激光器發(fā)展到自動克爾透鏡鎖模激光器，以及后來的二極管泵浦全固態(tài)飛秒激光器和飛秒光纖激光器。優(yōu)質(zhì)、高效、穩(wěn)定、可靠、廉價的光源是進行激光微加工的應(yīng)用前提。系統(tǒng)在沿飛秒激光產(chǎn)生放大系統(tǒng)的輸出光束方向上設(shè)置反射鏡，反射鏡與輸出光束的負(fù)向夾角為45°，沿反射后的光軸方向在反射鏡下方設(shè)置了多軸聯(lián)動的微動工作臺，在反射鏡和多軸聯(lián)動微動工作臺中間的光軸方向上設(shè)有聚焦透鏡，并在反射鏡上方設(shè)置CCD 傳感器，飛秒激光產(chǎn)生放大系統(tǒng)、多軸聯(lián)動微動工作臺、CCD 傳感器和LCD 監(jiān)視器連接在工控機上。該加工中心能夠?qū)Ω呷埸c、高硬度和高脆性等特種功能材料進行準(zhǔn)三維加工。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和北京工業(yè)大學(xué)的相關(guān)科研人員［32］對飛秒激光功能微部件加工技術(shù)進行了研究。通過研究，不僅建立了一套面向高分子材料的飛秒激光微加工、原位觀測、光驅(qū)動、微裝配多功能集成實驗平臺和一套面向金屬及金屬粉末材料的短波長激光微加工系統(tǒng)，還取得了多項原創(chuàng)性的研究成果。合成了多種適用于飛秒激光微加工和三維信息存儲的新型材料;實現(xiàn)了多種具有實際應(yīng)用前景的三維功能微部件的制造。如直徑為15 μm 的光折變微透鏡、直徑為17 μm 的菲涅爾微透鏡、周期為1.5 μm 的8 層光子晶體，并測試了上述微部件的光學(xué)性能。同時還研制了直徑6 μm 的三維微轉(zhuǎn)子并實現(xiàn)光驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了齒輪組的微裝配和傳動。

華中科技大學(xué)陸培祥等［33］于2006年10月發(fā)明了一種不銹鋼懸臂梁的飛秒激光加工方法。首先使用軟件設(shè)計出懸臂梁的形狀與尺寸，然后將不銹鋼板材置于工作臺上，依照設(shè)計尺寸，利用飛秒激光對厚度小于1 mm 的不銹鋼板材進行掃描刻蝕，直至懸臂梁與不銹鋼板材基體完全脫離。使用飛秒激光的能量密度為50～300 J/cm2，脈沖寬度45～100 fs，加工掃描速度為50～200 μm/s。加工精度優(yōu)于1 μm;加工過程中可以很好地避免氧化現(xiàn)象的產(chǎn)生，無濺污、重鑄殘渣現(xiàn)象，無熱影響區(qū)。

通過上述分析，不難看出，先進的飛秒激光微加工系統(tǒng)的成功問世以及商業(yè)化為歐美等發(fā)達(dá)國家在該領(lǐng)域取得的領(lǐng)先地位提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。盡管中國的相關(guān)研究院所也對飛秒激光微加工系統(tǒng)進行了一些原創(chuàng)性的設(shè)計與制造，但與發(fā)達(dá)國家相比還存在較大差距。因此加快飛秒激光微加工系統(tǒng)的開發(fā)是提升我國在該領(lǐng)域研究進程的首要任務(wù)。通過以上分析也充分表明，隨著超短脈沖激光技術(shù)的進一步發(fā)展以及具有高可靠性的商用飛秒激光器的進一步完善，飛秒激光微加工技術(shù)將會取得更大的進展，并在眾多領(lǐng)域獲得更為廣泛的應(yīng)用。

3 總結(jié)與展望

本文詳細(xì)研究與探討了飛秒激光微加工技術(shù)所面臨的巨大機遇與挑戰(zhàn)，同時結(jié)合基于飛秒激光加工的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)在等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用，展示了該領(lǐng)域巨大的發(fā)展空間及應(yīng)用前景。最后針對飛秒激光微加工系統(tǒng)進行了詳細(xì)的描述，綜述了目前國內(nèi)外在微系統(tǒng)開發(fā)方面的最新進展。

飛秒激光微加工技術(shù)還處于起步階段，該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用仍有一系列關(guān)鍵的技術(shù)問題亟待解決:

(1)光學(xué)以及加工領(lǐng)域的相關(guān)生產(chǎn)商應(yīng)該加大力度投資生產(chǎn)飛秒激光微加工系統(tǒng)，在穩(wěn)步提升其加工特性的基礎(chǔ)之上，將其外形結(jié)構(gòu)進一步規(guī)范化、體積進一步小型化，并降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，尤其是要改善其微加工工作環(huán)境的適應(yīng)性，延長其壽命并要大幅提升系統(tǒng)的可靠性，以及數(shù)控化和自動化程度，從而推進其在科研以及工業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)展進程。

(2)飛秒激光微加工技術(shù)目前主要還局限于實驗室研究階段，因此應(yīng)盡快探索出一條該技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)化途徑，從而為加快解決高精密微結(jié)構(gòu)在機械、材料科學(xué)、生物醫(yī)療、航空航天、電子通訊等國家急需的重大產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供強大的技術(shù)支撐。并進一步拓展該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

(3)要進一步大幅提升飛秒激光微加工效率方案的探討。與刻蝕技術(shù)相比，盡管其加工效率獲得了極大提高。但就其昂貴的激光源及加工組件而言，該項技術(shù)的產(chǎn)出效率仍然較低。要想實現(xiàn)加工微小結(jié)構(gòu)的成本大大降低，效率大幅提升，一種有效的方式就是利用該技術(shù)加工微小模具，然后進行復(fù)制加工。

(4)要不斷拓寬飛秒激光加工材料的領(lǐng)域，以滿足對層出不窮的新材料的成形及微加工的迫切需求。盡管已從理論上證實該技術(shù)可以對幾乎所有的材料實現(xiàn)精密加工，但目前還主要集中在有機聚合材料、金屬和透明等材料方面。而對于超硬材料的加工研究的卻較少，如碳化硅、碳化鎢和金剛石等。而這些材料正是加工微小模具的理想選擇。

同時，通過與國外在該項技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r相比較，可以看出國內(nèi)在飛秒激光微加工領(lǐng)域還存在著非常大的差距，主要表現(xiàn)在如下幾個方面:

(1)研究與生產(chǎn)飛秒激光器的單位不多，研制飛秒激光微加工系統(tǒng)的公司基本空白。

(2)完全用國產(chǎn)元件搭建的飛秒激光源及其微加工系統(tǒng)甚少。

(3)國內(nèi)飛秒激光微加工技術(shù)的發(fā)展進程基本上停留在實驗室階段，還沒有形成產(chǎn)業(yè)化與商業(yè)化。

盡管存在著較大差距，但是國內(nèi)的一些科研機構(gòu)在該項技術(shù)上的研究也已經(jīng)取得了長足的進步，獲得了可喜的成績。可以肯定，隨著工業(yè)需求的擴大和飛秒激光微加工技術(shù)的進一步發(fā)展，它將會不斷地開辟新的研究領(lǐng)域，推動我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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