談飛秒激光加工的優(yōu)與劣 紫外/矢量/渦旋光場(chǎng)提供新思路

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激光被譽(yù)為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，隨著三次工業(yè)革命的結(jié)束,，激光將是引領(lǐng)第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵,。激光的出現(xiàn)大大地推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,。激光以其功率大、易聚焦,、高亮度,、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械加工中已經(jīng)成為最先進(jìn),、應(yīng)用最廣泛的一種手段,。激光加工精度高、速度快,、成本低,，可以由計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，加工形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu),，并且由于是非接觸加工,，不會(huì)損壞材料，安全可靠,。

激光加工的分類(lèi)和各自特點(diǎn)

根據(jù)激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理,，激光加工可分為兩大類(lèi)：激光熱加工和非熱加工。熱加工和非熱加工通常使用的激光類(lèi)型是不同的,，熱加工通常使用的是長(zhǎng)脈沖激光或連續(xù)激光,，非熱加工通常使用的是皮秒、飛秒等超短脈沖激光,。

激光熱加工利用激光照射材料過(guò)程中產(chǎn)生的熱效應(yīng),，被照射材料的分子體系需要不斷地從照射激光獲取能量轉(zhuǎn)化為自身的內(nèi)能，被照射區(qū)域的溫度急劇升高,，達(dá)到材料的熔點(diǎn)和沸點(diǎn),，發(fā)生融化、去除,，達(dá)到加工目的,。由于激光的能量轉(zhuǎn)化為分子體系的內(nèi)能需要的時(shí)間較長(zhǎng)，因此熱加工常用長(zhǎng)脈沖激光,。這一加工方法簡(jiǎn)單直接,，已廣泛用于工業(yè)制造，如激光切割,、激光增材制造等,。但由于加工過(guò)程中存在不可避免的熱擴(kuò)散，限制了激光熱加工的精度和粗糙度,。

非熱加工則是利用由材料電子體系擾動(dòng)引起的非線性效應(yīng)（如非線性電離,、表面散射等），通過(guò)電子吸收光子發(fā)生躍遷和電離,，誘導(dǎo)材料的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致一些新穎效應(yīng)的產(chǎn)生（如雙光子聚合,、激光自組裝等）,，利用這些新穎的效應(yīng)達(dá)到提高加工精度、優(yōu)化加工方法的目的,。由于電子體系和激光的能量交換可以在瞬間完成,，因此非熱加工常用超短脈沖激光。這種加工方法精度較高,，加工手段多樣,，是目前激光加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

傳統(tǒng)飛秒激光加工的優(yōu)勢(shì)和不足

超高的峰值功率和超短的脈沖持續(xù)時(shí)間是飛秒激光的兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì),。超高的峰值功率使其足以誘導(dǎo)材料產(chǎn)生多種多樣的非線性效應(yīng),，豐富了激光加工的方法。而超快的時(shí)間特性也使得飛秒激光與材料相互作用的過(guò)程非常短暫,，激光輻照區(qū)域吸收的光能量甚至來(lái)不及傳遞到其他區(qū)域,，確保激光能量可以精準(zhǔn)地沉積在輻照范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)超精細(xì)加工,。

目前,，飛秒激光已經(jīng)廣泛用于微納加工領(lǐng)域，主要有激光直寫(xiě)和激光掩膜兩種方法,。然而,，由于加工系統(tǒng)存在衍射極限，使得激光輻照區(qū)域不可能無(wú)限制的縮小,，限制了加工精度的進(jìn)一步提高,。同時(shí)由于不同材料的非線性特征不同，使得飛秒激光加工對(duì)材料有著強(qiáng)烈的依賴(lài)性,，同一加工方法對(duì)于不同材料往往表現(xiàn)出不同的加工效果,。

紫外飛秒激光加工的優(yōu)勢(shì)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)加工精度的要求不斷提高,，而影響激光加工精度的主要因素之一就是加工系統(tǒng)的衍射極限,。衍射極限是描述一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)成像或加工精度的物理參數(shù)，衍射極限越小則加工精度越高,。通常,，衍射極限是與入射光的波長(zhǎng)成正比的，因此減小激光波長(zhǎng)便成為提高衍射極限最直接,、有效的手段,，比如當(dāng)前工業(yè)中大規(guī)模使用的紫外光刻技術(shù)就是通過(guò)減小激光波長(zhǎng)來(lái)提高加工精度的。

紫外激光指的是波長(zhǎng)小于380nm的激光,，相比于目前飛秒激光常用的波長(zhǎng)（主要在可見(jiàn)光波段,，380nm－760nm）,，紫外飛秒激光的加工精度更高。同時(shí),，由于紫外飛秒激光的波長(zhǎng)短,，單光子的能量很大，光子可以直接切斷分子或原子的結(jié)合鍵,，實(shí)質(zhì)屬于光化學(xué)反應(yīng),，基本沒(méi)有融化現(xiàn)象，從而限制了熱效應(yīng)的影響,。另一方面,，紫外波段是許多聚合物的敏感波段，如光刻膠等,。這些聚合物在紫外飛秒激光的照射下會(huì)發(fā)生雙光子聚合效應(yīng),，使流動(dòng)的膠體聚合成為機(jī)械強(qiáng)度較高的固體，加工過(guò)后再將光刻膠洗去,，便可以得到所要的結(jié)構(gòu),。利用這一原理可以進(jìn)行超精細(xì)的三維結(jié)構(gòu)加工。

矢量,、渦旋光場(chǎng)飛秒加工的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的飛秒激光加工主要關(guān)注的是激光的能量特征,，利用飛秒激光光場(chǎng)的超高能量誘導(dǎo)材料的非線性效應(yīng)，以達(dá)到加工的目的,。在光與物質(zhì)相互作用的過(guò)程中,，不僅存在能量的吸收，更存在動(dòng)量的交換,，這意味著新型的激光模式在飛秒加工領(lǐng)域更能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),。

矢量、渦旋光場(chǎng)是兩種最典型的新型激光模式,，其偏振,、相位的空間拓?fù)涮匦允沟霉鈭?chǎng)具有一些特殊的物理性質(zhì)。比如,，矢量光場(chǎng)可以會(huì)聚為超衍射極限的焦斑,，尺寸更小，因此加工精度更高,。另一方面,，光場(chǎng)自身攜帶的光子角動(dòng)量能與物質(zhì)進(jìn)行動(dòng)量交換。例如,，具有螺旋狀相位結(jié)構(gòu)的渦旋光場(chǎng)則攜帶光子軌道角動(dòng)量,，驅(qū)動(dòng)微粒繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)；左旋或右旋圓偏振光攜帶光子自旋角動(dòng)量,，可以誘導(dǎo)微粒自轉(zhuǎn),；偏振態(tài)隨空間位置變化的矢量光場(chǎng)則可以表現(xiàn)出角動(dòng)量之間的相互作用,。同樣，矢量,、渦旋光場(chǎng)的動(dòng)量特性也可以用于飛秒激光加工領(lǐng)域,，例如使用渦旋光場(chǎng)誘導(dǎo)手性結(jié)構(gòu),、利用矢量光場(chǎng)誘導(dǎo)復(fù)雜的花紋圖案等,。

相較于傳統(tǒng)的飛秒激光加工，時(shí)空特性可控的高功率紫外激光系統(tǒng)產(chǎn)生的矢量,、渦旋光場(chǎng)飛秒激光加工使得加工結(jié)構(gòu)多樣化,、復(fù)雜化。通過(guò)設(shè)計(jì)光場(chǎng)的相位,、偏振態(tài)分布,，可以得到各式各樣表面圖案甚至復(fù)雜的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用飛秒激光脈沖整形技術(shù)結(jié)合空間光調(diào)制技術(shù),、時(shí)空聚焦技術(shù)等對(duì)超快激光脈沖時(shí)域以及頻域進(jìn)行調(diào)制,，實(shí)現(xiàn)在不同材料內(nèi)部的三維微納加工和實(shí)際應(yīng)用，這些技術(shù)有望在新型集成光學(xué)和微納光學(xué)中發(fā)揮重要的作用,。

紫外,、矢量、渦旋飛秒光場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)和潛在應(yīng)用

隨著產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,，傳統(tǒng)的飛秒激光加工技術(shù)難以滿足日益增長(zhǎng)的工業(yè)需求,，必須對(duì)其進(jìn)行發(fā)展和優(yōu)化。紫外飛秒激光加工技術(shù)是提高加工精度的有效途徑,，在工業(yè)制造方面有著巨大的應(yīng)用價(jià)值,。矢量、渦旋光場(chǎng)飛秒激光加工技術(shù)改變了傳統(tǒng)的單一的加工模式,，使得激光加工更加靈活多樣,。此外，紫外矢量,、渦旋飛秒激光加工技術(shù)也是對(duì)光與物質(zhì)相互作用理論的實(shí)踐和驗(yàn)證,，有助于揭示更深層的物理機(jī)制，有著積極的科研意義,。