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      2. 透明材料超快激光微加工

        百家號 2020-12-29 569

        由于激光微加工技術是用于透明材料的一種新的制造技術,因此可以預見微加工技術應用于意想不到的領域。

        從掌上型和可穿戴式顯示器到通信和計算系統,光子設備現已遍及全球。制造光子器件必不可少的材料是透明材料,例如玻璃,聚合物和晶體,我們通常希望它們具有透明和寬帶的透明性,穩定性以及多種成分。聚焦的超快激光脈沖會在這些透明材料中引起非線性吸收效應,從而使我們能夠在材料的表面或內部進行微加工。這種被稱為超快激光微加工的技術已經有了多種應用,例如切割、鉆孔、波導耦合器和分路器的直接寫入、光學動態記憶,甚至玻璃和玻璃、玻璃和金屬或玻璃和陶瓷之間界面的焊接或接合技術。

        超快激光脈沖與材料的相互作用在材料加工和微加工中有潛在的應用。在超快光脈沖中,由于光能被限制在很短的時間內,所以可以獲得很高的峰值功率。與連續波和長脈沖激光的微加工相比,超快激光有幾個優點:創建微型結構、對周圍環境沒有附帶損害、清潔的工藝外觀、小的熱影響區(HAZ)、沒有改變材料性質、以及具有透明的材料表面或內部結構。超快激光微加工是超快激光應用的一個快速發展的領域。因為加工過程不依賴于激光波長的線性吸收,所以實際上任何電介質、金屬或機械硬材料都可以通過相同的激光束進行加工,以進行表面燒蝕和內部修飾。

        超快激光可用于微加工多種材料:金屬、聚合物、半導體、透明材料等。然而,材料的性質,尤其是光學和熱學性質,需要選擇合適的激光參數進行修改。要在材料上進行超快激光微加工,必須選擇合適的激光操作參數,例如:激光波長、重復率、激光功率、掃描通量、脈沖持續時間、偏振、束斑尺寸和質量。以下圖片顯示了激光操作參數對透明材料激光微加工的影響。


        圖1. 激光通量(每個脈沖的能量在括號中給出)有所變化
        (a)12.1 J / cm 2(170μJ)(b)12.9 J / cm 2(180μJ),(c)15.0 J / cm 2(210μJ)。


        圖2. SEM顯微照片,顯示了在激光鉆孔和切割后堆積在彈坑內(a和b)和碎片(c和d)內部和外部的碎片。


        圖3. 在515nm波長下通過10ps的10ps激光脈沖的10遍產生的50微米厚的硼硅玻璃上的切口的SEM顯微照片。


        圖4. 激光產生的溝槽的SEM圖像證明了應變對激光加工質量的影響。

        超快激光脈沖微加工的一個顯著特征是透明材料的內部微加工。當近紅外超快激光脈沖聚焦在玻璃體內時,焦點體積中的強度變得足夠高以引起非線性吸收,這導致焦點體積中玻璃的局部改變(如下圖)。

        使用超快激光脈沖的微加工技術被用于在透明材料中制造光子器件。通過在各種各樣的玻璃中平移超快激光脈沖的焦點,這種技術已用在三維空間中集成光子器件,包括波導、耦合器和光柵。作為空隙形成在透明材料中的應用,已經報道了3D光學數據存儲,其中空隙或納米光柵的出現表示二進制值,而空隙的不存在表示二進制值。


        使用超快激光脈沖形成的大塊玻璃中的空隙陣列。

        超快激光玻璃微加工最有吸引人的應用之一是直接制造生物芯片,如微流體、光流體、微全分析系統,以執行生化樣品的反應、檢測、分析、分離和合成。為了在玻璃內部創建三維微流體結構,廣泛采用了兩種方法,即液體輔助超快激光鉆孔和超快激光輔助濕化學蝕刻。

        在液體輔助超快激光鉆孔中,如下圖超快激光3D燒蝕從與蒸餾水或其他液體接觸的玻璃后表面開始。潤濕液在其形成過程中滲入激光鉆孔的通道中,并極大地促進了清除限制在所形成的狹窄微流體通道內的燒蝕碎屑,從而顯著減輕了深鉆時的碎屑堵塞問題。


        液體輔助超快激光鉆孔示意圖


        超快激光輔助濕化學蝕刻示意圖
        (a)超快激光照射引起的潛像 (b)熱處理引起的改性區域 (c)化學蝕刻形成的微通道。


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