超快激光,又稱超短脈沖激光,是指脈沖寬度在幾十ps(1ps=10-12s【10的負(fù)12次方】)及以下量級(jí)的脈沖激光。自1960年第一臺(tái)激光器誕生以來,超短的脈沖寬度和超高的功率一直是激光器的重要發(fā)展方向。此后,超快激光技術(shù)得到迅速發(fā)展,并被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)制造、超快成像、信息存儲(chǔ)及臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

與連續(xù)激光加工或長脈沖激光加工相比,超快激光脈沖加工具有持續(xù)時(shí)間短、峰值功率高、熱影響區(qū)小等特點(diǎn)。超短脈沖持續(xù)時(shí)間使激光能量主要沉積在光子-電子作用過程中的極小范圍內(nèi),可極大地減少重鑄層及微裂紋等缺陷的產(chǎn)生;超快激光脈沖加工可以在一定程度上避免長脈沖激光加工中常見的等離子體屏蔽效應(yīng)的產(chǎn)生;超快激光峰值功率可達(dá)100TW，幾乎可以加工所有材料,包括金屬、半導(dǎo)體、電介質(zhì)及生物組織等。由于峰值功率高,超快激光與原子、自由電子、離子及等離子體等的相互作用是非線性、非平衡過程,不再是熱熔過程。短脈沖激光損傷閾值的統(tǒng)計(jì)不確定性更小,這些特點(diǎn)使得飛秒激光加工可以達(dá)亞微米精度。

傳統(tǒng)超快激光高斯光束的空間、時(shí)間能量分布在加工中具有局限性,以單點(diǎn)聚焦掃描為主的加工方法難以滿足制造的精度、效率及跨尺度加工要求。因此,研究人員將目光聚焦到超快激光光束整形的制造方法上。激光光束整形通�？煞譃榭沼蛘�形、時(shí)域整形和時(shí)空域協(xié)同整形�？沼蛘�形是指改變激光能量在空間范圍內(nèi)的分布,時(shí)域整形是指改變激光能量隨時(shí)間的分布。與傳統(tǒng)的高斯光束相比,整形后的光束具有新的空間和時(shí)間能量分布,可以滿足特定應(yīng)用要求,在加工質(zhì)量、精度及效率方面有更大的優(yōu)勢(shì)。

本文僅簡(jiǎn)單介紹超快激光時(shí)域光束整形方法及應(yīng)用。

時(shí)域光束整形是指采用4f系統(tǒng)、光柵/棱鏡對(duì)或可控衍射器件等實(shí)現(xiàn)任意脈沖形狀或者整形脈沖序列的產(chǎn)生。時(shí)域光束整形將傳統(tǒng)的一個(gè)超快脈沖整形成一個(gè)脈沖序列,每個(gè)脈沖序列由間隔從飛秒到皮秒的數(shù)個(gè)子脈沖組成,且每個(gè)子脈沖之間的能量比也可以自由設(shè)計(jì)。時(shí)域光束整形常見的方法有傅里葉變換法、SLM、超表面法及薄膜法等。

下圖是采用光學(xué)4f系統(tǒng)對(duì)皮秒激光進(jìn)行時(shí)域整形,其基本原理為將入射激光從時(shí)域轉(zhuǎn)換至頻域,利用頻率調(diào)制器,經(jīng)相應(yīng)調(diào)制后再還原至?xí)r域,最終得到想要的時(shí)域整形激光脈沖。

傅里葉變換脈沖整形基本裝置

第二種是基于衍射的方法,該方法通過二維相位SLM同時(shí)對(duì)飛秒激光脈沖的相位和振幅進(jìn)行整形。該方法抑制了飛秒脈沖整形中調(diào)制器缺陷導(dǎo)致的某些類型的時(shí)域復(fù)制特征,并允許適用于各種應(yīng)用的多路輸出。下圖是使用動(dòng)態(tài)介電超表面,通過操縱頻率分量的相位和幅值來進(jìn)行近紅外超短(飛秒)脈沖整形。

使用介電超表面的超快光學(xué)脈沖整形

具體應(yīng)用：

案例1：使用飛秒激光脈沖序列輻照加化學(xué)刻蝕的方法在石英玻璃中加工微通道，觀察脈沖延遲和脈沖能量分配比對(duì)微通道加工結(jié)果的影響。

與傳統(tǒng)的飛秒脈沖相比,時(shí)域整形飛秒激光脈沖序列可以大大提高刻蝕速率,這種增強(qiáng)主要是通過超快激光脈沖整形對(duì)材料的局域瞬態(tài)電子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行控制,從而獲得較高的光子吸收效率和均勻的改性區(qū)來實(shí)現(xiàn)的。利用時(shí)域整形飛秒脈沖序列對(duì)材料進(jìn)行局域瞬態(tài)電子動(dòng)力學(xué)控制,實(shí)現(xiàn)了石英玻璃的非偏振刻蝕。由于脈沖序列的脈沖延遲大于1ps,因此不會(huì)形成與相干場(chǎng)矢量相關(guān)的耦合,場(chǎng)不再具有方向性,從而形成了無序互連的納米結(jié)構(gòu),而不是傳統(tǒng)非整形脈沖加工時(shí)常形成的納米光柵結(jié)構(gòu)。

飛秒激光輔助化學(xué)刻蝕微通道的光學(xué)顯微圖 (a)常規(guī)脈沖;(b)雙脈沖

案例2：通過改變飛秒激光脈沖序列的脈沖延時(shí)和掃描速度,利用在硅上加工LIPSS時(shí)的偏振相關(guān)各向異性,實(shí)現(xiàn)了掃描線寬的可調(diào)控。

利用偏振正交的飛秒激光雙脈沖序列在硅表面上操縱LIPSS的走向,使得無論激光掃描路徑如何變化,LIPSS的走向都垂直于該處的掃描方向。脈沖延遲對(duì)顆粒尺寸的調(diào)控下如圖所示。與單個(gè)脈沖相比,飛秒激光雙脈沖的脈沖延遲為20ps時(shí),該方法可將產(chǎn)率提高2.6倍,將所得硅納米顆粒的平均尺寸減小約1/5。

脈沖延遲時(shí)間不同的情況下制備的硅納米顆粒的透射電子顯微鏡(TEM)圖及相應(yīng)的尺寸分布（a）0 fs；（b）100 fs；（c）200 fs；（d）1000 fs   

轉(zhuǎn)自：光學(xué)與半導(dǎo)體綜研

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