飞秒激光微纳加工技术在多种材料加工领域的应用
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作者:丁朝俊 胡和平
摘 要：所谓飞秒激光微纳加工，即运用超短脉冲激光的紧聚焦获得的焦点具有超高能量密度，同材料在微尺度的状态下产生非线性反应，对材料产生诱导作用，出现“改性”及“成型”等状况。飞秒激光加工技术优势明显，在材料加工领域内得到了广泛的应用，受到格外的关注与重视。该文在这一基础上，就飞秒激光微纳加工技术在多种材料加工领域的应用作简要论述。
关键词：飞秒激光微纳加工技术 材料 加工领域
中图分类号：TG665 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）03（c）-0046-02
当前信息时代下，科学技术实现了快速发展，应用需求持续提高，在微纳加工上技术要求更高，要求加工的材料必须具备较高的分辨率，加工技术能够在多种材料上应用，能够实现真正的三维加工。这些要求都对传统微纳加工技术提出了挑战。在这些新要求下，不断推动着微纳加工技术的进步与提升。最近几年的时间里，飞秒激光加工受到了广泛的关注与重视，其能够在多种材料加工领域中应用，具备较高的加工精度，是学术界重点研究的课题。
1 金属及半导体材料的表面微加工
表面微加工就是在材料的表面进行微纳米级线、孔和凹槽的制备，对加工具有较高的技术要求[1]。而飞秒激光加工技术则是开展表面微加工的最有效工具。在最理想的表面微加工状态下，应该保持材料外部的最小损伤。但是采用传统的激光技术进行加工，会产生热扩散，对加工尺寸产生较大影响。热扩散会对加工质量存在影响，大量的热会使得材料表面出现裂纹等情况，残余的应力也会损伤材料内部。而飞秒激光加工技术有效改善了这一现象，在飞秒激光加工技术之下，和金属产生相互作用，出现线性吸收及雪崩电离，自由电子将飞秒激光的能量吸收实现了电子加热，将对材料的损伤降至最低[2]。
在金属及半导体的表面进行飞秒激光的微加工，主要包含以下两大类微结构：（1）飞秒激光的辐射下产生各类周期性的微纳结构，这种技术更多地对表面浸润特性进行调控;（2）运用飞秒激光将周期性的表面结构进行导出，对表面光学特性进行调控[3]。
1.1 浸润特性调控
固体材料的表面都具有浸润特性，传统加工方式下，在金属及半导体的表面产生浸润结构主要通过刻蚀法、模板法等[4]。这些传统加工方式步骤往往较为复杂，且整个加工效率低下，所采用的试剂也具有一定毒性。飞秒激光加工技术的应用，能够高效快捷地在各种材料表面制备特殊的浸润结构。在硅的表面，运用飞秒激光加工技术可以制备微孔的周期結构。在这种结构内部有纳米颗粒随机分布其中。运用化学进行修饰后，表面产生超疏水的特性[5]。在金属钛的表面运用飞秒激光加工技术可以制备微孔阵列，具备水下超疏油特性，对微孔周期排布进行改变，具备油水分离特性。在铜的表面运用飞秒激光加工技术制备出微米锥形的周期结构，并有纳米颗粒分布在这种结构之上，这一表面具备超亲水的特性。这些都是运用飞秒激光加工技术的成功案例。
1.2 光学特性调控
微纳结构在材料的表面形成之后，材料受光的散射、衍射等效应影响，会呈现出多种颜色。在不锈钢的表面运用飞秒激光加工技术将纳米条纹的结构进行诱导，对纳米条纹取向进行控制能够呈现出多种颜色[6]。在银、铝等表面运用飞秒激光加工技术将周期性结构进行诱导，能够呈现出多种颜色，且表面的反射率同入射的波长存在一定关联。
在一些半导体材料中，也可以实现对光学特性的调控。运用飞秒激光加工技术在半导体的硅片表面能够制备出二维块状的周期结构，能够高效吸收光能量。飞秒激光加工技术所制备出的这种黑硅可以在光电行业中得到广泛应用。
2 透明固体材料的内部改性
运用飞秒激光加工技术能够在晶体、玻璃等透明材料中制备出微纳结构，在信息科学及光学领域内得到广泛应用。通过飞秒激光加工技术，能够在透明材料中进行紧聚焦从而制备出微纳结构。在透明固体材料的内部，被脉冲激光聚焦，光斑内具有较高的能量，能够产生非线性的吸收，使得加工区域出现局部改性的状况。对于透明固体材料而言，改变聚焦条件及激光参数，主要存在以下几个方面的加工区域改性。
（1）微孔洞：飞秒激光的能量不断增强，同材料作用产生等离子，爆炸产生局部的重熔及冲击波，造成空心微孔洞出现。在介质中传播的飞秒激光具有较高能量，会出现自聚焦的情况，聚焦光板区域内具有高温高压，引发冲击波，加工区域材料出现熔化的情况，并扩散至周围产生微孔洞[7]。
（2）微裂纹：材料在高能量飞秒激光下产生破坏性的光学击穿，产生了微裂纹。
（3）折射率变化：加工区域受到非线性效应影响，出现原子缺陷及局部致密的情况，导致折射率出现变化。飞秒激光在能量上需要略高于损伤阈值。大量研究及实践表明，飞秒激光的能量不高，加工区域折射率存在升高的情况;而飞秒激光的能量较高，材料并未出现损坏情况时，加工区域折射率则会降低。针对这种折射率上的变化，能够进行多种类型波导结构的制备。
（4）光学着色：飞秒激光在同材料进行作用时，产生了非线性效应，形成了色心，活性离子价态产生了变化，加工区域出现光学着色的情况。一般情况下，飞秒激光的能力相比于材料损伤阈值较低，不会对材料产生永久性损伤，热处理后光学着色现象会自行恢复。
从上述分析能够看到，飞秒激光针对加工区域能够产生不同程度改性，从而制备出多种功能的微纳器件。
3 光聚合材料的内部三维成型
光聚合材料具备光敏化学作用。在光聚合材料的内部，运用飞秒激光加工技术可以实现较高分辨率的三维加工，主要原理就是产生了双光子聚合现象。对飞秒激光进行聚焦，产生双光子吸收效应，作用于光聚合物材料的内部产生固化现象，制备出三维的微结构。 通常情况下，光聚合物材料置于可见波段下是透明的状态，运用飞秒激光加工技术进行处理，能够具备较高的分辨率，加工结构的表面较为光滑，且可以成型复杂的三维结构，在光子晶体、微光学元件及超材料等领域内得到广泛应用。飞秒激光加工技术的应用推动了光通信的发展，制备出高精度的微光学器件，推动相关领域科学的不断进步。
4 结语
在材料加工领域，飞秒激光加工技术拥有领先的微纳制造技术，对材料具有较广的适应性，且加工出的材料具有较高分辨率，产生三维结构，受到广泛的关注与应用。随着时代的不断发展与技术持续进步，飞秒激光加工技术将有更加广阔的应用领域。
参考文献
[1] G. O’Connell，T. Donnelly，J. G.Lunney.Nanoparticle plume dynamics in femtosecond laser ablation of gold[J].Applied Physics A，2014，117（1）：289-293.
[2] Run-Ze Li，Pengfei Zhu，Long Chen，et al.Investigation of transient surface electric field induced by femtosecond laser irradiation of aluminum[J].New Journal of Physics，2014，16（10）：1-13.
[3] 李杰，訾进锋，杨小君，等.飞秒激光微加工技术在航空发动机高压单晶涡轮叶片的应用[J].电加工与模具，2018（S1）：54-58.
[4] 唐岳，罗红平，吴明，等.电液束加工的发展与应用[J].电加工与模具，2015（S1）：54-58.
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[6] 王呈，刘涛，穆轩，刘鹏，等.航空发动机叶片气膜孔测量技术研究[J].计测技术，2012（5）：27-30.
[7] 陈甲琪，周立江.涡轮叶片电加工孔重熔层控制及去除方法[J].电加工与模具，2012（2）：61-62.
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