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谈飞秒激光加工的优与劣 紫外/矢量/涡旋光场提供新思路

  激光被譽爲20世紀最偉大的發明之一,隨著三次工業革命的結束,激光將是引領第四次工業革命的關鍵。激光的出現大大地推動了産業的發展。激光以其功率大、易聚焦、高亮度、方向性好等優點,在機械加工中已經成爲最先進、應用最廣泛的一種手段。激光加工精度高、速度快、成本低,可以由計算機編程實現自動控制,加工形狀複雜的結構,並且由于是非接觸加工,不會損壞材料,安全可靠。

  激光加工的分類和各自特點

  根據激光與物質相互作用的機理,激光加工可分爲兩大類: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型是不同的,熱加工通常使用的是長脈沖激光或連續激光,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程中産生的熱效應,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化爲自身的內能,被照射區域的溫度急劇升高,達到材料的熔點和沸點,發生融化、去除,達到加工目的。由于激光的能量轉化爲分子體系的內能需要的時間較長,因此熱加工常用長脈沖激光。這一加工方法簡單直接,已廣泛用于工業制造,如激光切割、激光增材制造等。但由于加工過程中存在不可避免的熱擴散,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引起的非線性效應(如非線性電離、表面散射等),通過電子吸收光子發生躍遷和電離,誘導材料的物理、化學性質發生改變,從而導致一些新穎效應的産生(如雙光子聚合、激光自組裝等),利用這些新穎的效應達到提高加工精度、優化加工方法的目的。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,是目前激光加工領域的研究熱點之一。

  傳統飛秒激光加工的優勢和不足

  超高的峰值功率和超短的脈沖持續時間是飛秒激光的兩個主要優勢。超高的峰值功率使其足以誘導材料産生多種多樣的非線性效應,豐富了激光加工的方法。而超快的時間特性也使得飛秒激光與材料相互作用的過程非常短暫,激光輻照區域吸收的光能量甚至來不及傳遞到其他區域,確保激光能量可以精准地沈積在輻照範圍內,實現超精細加工。

  目前,飛秒激光已經廣泛用于微納加工領域,主要有激光直寫和激光掩膜兩種方法。然而,由于加工系統存在衍射極限,使得激光輻照區域不可能無限制的縮小,限制了加工精度的進一步提高。同時由于不同材料的非線性特征不同,使得飛秒激光加工對材料有著強烈的依賴性,同一加工方法對于不同材料往往表現出不同的加工效果。

  紫外飛秒激光加工的優勢

  隨著現代工業的發展,對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的衍射極限。衍射極限是描述一個光學系統成像或加工精度的物理參數,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成正比的,因此減小激光波長便成爲提高衍射極限最直接、有效的手段,比如當前工業中大規模使用的紫外光刻技術就是通過減小激光波長來提高加工精度的。

  紫外激光指的是波長小于380nm的激光,相比于目前飛秒激光常用的波長(主要在可見光波段,380nm-760nm),紫外飛秒激光的加工精度更高。同時,由于紫外飛秒激光的波長短,單光子的能量很大,光子可以直接切斷分子或原子的結合鍵,實質屬于光化學反應,基本沒有融化現象,從而限制了熱效應的影響。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發生雙光子聚合效應,使流動的膠體聚合成爲機械強度較高的固體,加工過後再將光刻膠洗去,便可以得到所要的結構。利用這一原理可以進行超精細的三維結構加工。

  矢量、渦旋光場飛秒加工的特點和優勢

  傳統的飛秒激光加工主要關注的是激光的能量特征,利用飛秒激光光場的超高能量誘導材料的非線性效應,以達到加工的目的。在光與物質相互作用的過程中,不僅存在能量的吸收,更存在動量的交換,這意味著新型的激光模式在飛秒加工領域更能發揮其優勢。

  矢量、渦旋光場是兩種最典型的新型激光模式,其偏振、相位的空間拓撲特性使得光場具有一些特殊的物理性質。比如,矢量光場可以會聚爲超衍射極限的焦斑,尺寸更小,因此加工精度更高。另一方面,光場自身攜帶的光子角動量能與物質進行動量交換。例如,具有螺旋狀相位結構的渦旋光場則攜帶光子軌道角動量,驅動微粒繞固定軸轉動;左旋或右旋圓偏振光攜帶光子自旋角動量,可以誘導微粒自轉;偏振態隨空間位置變化的矢量光場則可以表現出角動量之間的相互作用。同樣,矢量、渦旋光場的動量特性也可以用于飛秒激光加工領域,例如使用渦旋光場誘導手性結構、利用矢量光場誘導複雜的花紋圖案等。

  相較于傳統的飛秒激光加工,時空特性可控的高功率紫外激光系統産生的矢量、渦旋光場飛秒激光加工使得加工結構多樣化、複雜化。通過設計光場的相位、偏振態分布,可以得到各式各樣表面圖案甚至複雜的三維拓撲結構。利用飛秒激光脈沖整形技術結合空間光調制技術、時空聚焦技術等對超快激光脈沖時域以及頻域進行調制,實現在不同材料內部的三維微納加工和實際應用,這些技術有望在新型集成光學和微納光學中發揮重要的作用。

  紫外、矢量、渦旋飛秒光場的優勢和潛在應用

  隨著産業的不斷發展,傳統的飛秒激光加工技術難以滿足日益增長的工業需求,必須對其進行發展和優化。紫外飛秒激光加工技術是提高加工精度的有效途徑,在工業制造方面有著巨大的應用價值。矢量、渦旋光場飛秒激光加工技術改變了傳統的單一的加工模式,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也是對光與物質相互作用理論的實踐和驗證,有助于揭示更深層的物理機制,有著積極的科研意義。
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