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透明材料超快激光微加工

由于激光微加工技术是用于透明材料的一种新的制造技术,因此可以预见微加工技术应用于意想不到的领域。

从掌上型和可穿戴式显示器到通信和计算系统,光子设备现已遍及全球。制造光子器件必不可少的材料是透明材料,例如玻璃,聚合物和晶体,我们通常希望它们具有透明和宽带的透明性,稳定性以及多种成分。聚焦的超快激光脉冲会在这些透明材料中引起非线性吸收效应,从而使我们能够在材料的表面或内部进行微加工。这种被称为超快激光微加工的技术已经有了多种应用,例如切割、钻孔、波导耦合器和分路器的直接写入、光学动态记忆,甚至玻璃和玻璃、玻璃和金属或玻璃和陶瓷之间界面的焊接或接合技术。

超快激光脉冲与材料的相互作用在材料加工和微加工中有潜在的应用。在超快光脉冲中,由于光能被限制在很短的时间内,所以可以获得很高的峰值功率。与连续波和长脉冲激光的微加工相比,超快激光有几个优点:创建微型结构结构、对周围环境没有附带损害、清洁的工艺外观、小的热影响区(HAZ)、没有改变材料性质、以及具有透明的材料表面或内部结构。超快激光微加工是超快激光应用的一个快速发展的领域。因为加工过程不依赖于激光波长的线性吸收,所以实际上任何电介质、金属或机械硬材料都可以通过相同的激光束进行加工,以进行表面烧蚀和内部修饰。

超快激光可用于微加工多种材料:金属、聚合物、半导体、透明材料等。然而,材料的性质,尤其是光学和热学性质,需要选择合适的激光参数进行修改。要在材料上进行超快激光微加工,必须选择合适的激光操作参数,例如:激光波长、重复率、激光功率、扫描通量、脉冲持续时间、偏振、束斑尺寸和质量。以下图片显示了激光操作参数对透明材料激光微加工的影响。

图1. 激光通量(每个脉冲的能量在括号中给出)有所变化:(a)12.1 J / cm 2(170μJ)(b),12.9 J / cm 2(180μJ),(c)15.0 J / cm 2(210μJ)。
图2. SEM显微照片,显示了在激光钻孔和切割后堆积在弹坑内(a和b)和碎片(c和d)内部和外部的碎片。
图3. 在515 nm波长下通过10 ps的10 ps激光脉冲的10遍产生的50微米厚的硼硅玻璃上的切口的SEM显微照片。
图4. 激光产生的沟槽的SEM图像证明了应变对激光加工质量的影响。

超快激光脉冲微加工的一个显著特征是透明材料的内部微加工。当近红外超快激光脉冲聚焦在玻璃体内时,焦点体积中的强度变得足够高以引起非线性吸收,这导致焦点体积中玻璃的局部改变(如下图)。

使用超快激光脉冲的微加工技术被用于在透明材料中制造光子器件。通过在各种各样的玻璃中平移超快激光脉冲的焦点,这种技术已用在三维空间中集成光子器件,包括波导、耦合器和光栅。作为空隙形成在透明材料中的应用,已经报道了3D光学数据存储,其中空隙或纳米光栅的出现表示二进制值,而空隙的不存在表示二进制值。

使用超快激光脉冲形成的大块玻璃中的空隙阵列。

超快激光玻璃微加工最有吸引人的应用之一是直接制造生物芯片,如微流体、光流体、微全分析系统,以执行生化样品的反应、检测、分析、分离和合成。为了在玻璃内部创建三维微流体结构,广泛采用了两种方法,即液体辅助超快激光钻孔和超快激光辅助湿化学蚀刻。

在液体辅助超快激光钻孔中,如下图超快激光3D烧蚀从与蒸馏水或其他液体接触的玻璃后表面开始。润湿液在其形成过程中渗入激光钻孔的通道中,并极大地促进了清除限制在所形成的狭窄微流体通道内的烧蚀碎屑,从而显着减轻了深钻时的碎屑堵塞问题。

液体辅助超快激光钻孔示意图

超快激光辅助湿化学蚀刻示意图。(a)超快激光照射引起的潜像,(b)热处理引起的改性区域,(c)化学蚀刻形成的微通道。

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