原子及近原子尺度制造典型技术3:飞秒激光加工
来源:中国科协—原子及近原子尺度制造青年科学家沙龙 浏览次数: 发表日期:2021-12-30

中国科协▪原子及近原子尺度制造青年科学家沙龙科普系列——飞秒激光加工及其应用

陈弈宇,胡衍雷,中国科学技术大学

近年来,随着制造业技术的不断革新,诞生了各种新型的加工工艺,其中3D打印技术无需额外设计制造昂贵的模具,可适用于各类复杂零件的一体化成型制造,因此给传统制造业带来了新的曙光。激光是强大的 3D 打印工具之一,具有加工精度高、非接触、效率高等诸多优点,已经被大量应用到工业制造中,在切割、钻孔、焊接、抛光等方面都广泛应用,另外激光制造也将成为工业 4.0 和中国制造 2025 中重要的组成部分。飞秒激光作为超快脉冲激光家族中重要的一员,在微纳制造、光谱探测、生物医疗等领域发挥了重要的作用。

1. 什么是飞秒激光加工?

飞秒(femtosecond)激光具有脉冲宽度极短,脉冲峰值功率极高的特点,因此在精微加工方面具备许多传统工艺无法比拟的优良特性。飞秒激光极短的脉宽能在瞬间产生极高的功率密度,因此诱导材料发生非线性吸收,从而极大提升加工的空间分辨率;极短的脉宽也可以保证材料在加工过程中不会产生多余的热量,从而避免了材料开裂、破损、融化等现象。此外,飞秒激光凭借其极高的功率密度还能够作用于其它激光难以加工的材料,例如透明材料、易碎易脆材料、高熔点材料、热分解和热变形材料等。

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图1:飞秒激光加工超高的空间分辨率和极低的热效应

秒激光脉冲在微纳加工中具有许多独特的加工优势,包括但不限于以下几点:

1) 飞秒激光加工的组织中没有熔融区,没有重铸层,不产生微裂纹,这是飞秒激光加工的最重要特征,实现了相对意义上的加工,大大减弱和消除了传统加工中热效应带来的诸多负面影响。

2) 飞秒激光加工精度高,利用非线性吸收效应可以突破光的衍射极限限制,具有很高的空间分辨率。

3) 飞秒激光加工对材料没有选择和限制性,可以对广泛的材料类型进行精细加工、修复和处理。

4) 飞秒激光加工需要的单脉冲能量阀值极低,一般只有毫焦耳量级,这决定了加工的能量低耗性。

飞秒激光三维微纳制造包括但不限于:增材(additive)制造、减材(subtractive)加工和非变形(undeformative)的内部结构诱导。

2. 飞秒激光增材制造

飞秒激光增材制造不同于传统的激光立体光刻技术,而是采用双光子聚合方式直接构建3D结构。由于飞秒激光峰值功率密度高,很容易激发材料实现双光子吸收。另外,飞秒激光波长较长,材料的线性吸收弱,因此其穿透能力更强。将飞秒激光聚焦到光聚合材料内部, 通过程序控制聚焦点在三维空间移动逐点扫描就可以得到任意的微纳结构。飞秒激光双光子聚合目前被广泛用于创建3D微纳结构,包括光子器件、微纳机器人、微流体器件、医疗和组织工程等。

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图2:飞秒激光双光子微纳加工

3. 飞秒激光减材加工

减材加工则是利用飞秒激光强大的烧蚀效应,飞秒激光脉冲作用在固体物质表面时,激光脉冲能量能以极快的速度作用到极小区域,瞬间的高能量密度沉积使电子吸收和运动方式改变,并且电子没有足够时间将能量传递给晶格,从而在材料表面生成大量等离子体。能量伴随着材料的去除而消散,因此出现强烈的烧蚀效果。飞秒激光加工质量相较于传统的连续激光烧蚀或长脉冲激光烧蚀具有明显的优势。

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图3:纳秒脉冲激光和飞秒脉冲激光进行减材钻孔加工效果对比

4. 飞秒激光材料内部结构诱导

利用飞秒激光引起的多光子吸收,可以在透明材料内部以很好的空间选择性制造多种微观结构变化,达到在材料内部进行三维加工或改性的目的。内部结构变化/改性包括永久折射率变化、荧光信号变化、非线性系数变化等。利用飞秒激光诱导材料内部折射率变化可以用于构建三维光学微器件,荧光信号变化(光致变色或光致漂白等)可以用于三维光存储,非线性系数变化可用于制造三维非线性光学器件。这种加工可以在多种透明材料中进行,包括石英、玻璃、晶体、光纤和聚合物等。

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图4:飞秒激光在玻璃内部诱导纳米光栅结构,用于多维度永久光信息存储

5. 飞秒激光微纳加工技术的应用

5.1 微纳光学器件:飞秒激光增材制造技术可以实现可设计的三维微纳结构加工,这些三维结构可以被用于微光学元件,例如三维光子晶体、非球面微透镜阵列、三维复眼等。此外,利用飞秒激光诱导材料内部纳米结构形成、折射率变化、非线性系数变化等效应可以实现纳米光栅、三维非线性光子晶体、强吸收体等微纳光学器件的制备。

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5:飞秒激光微纳加工三维非线性光子晶体和纳米光栅

5.2 仿生表面加工:飞秒激光作为新的表面处理技术在制备仿生表面领域大展手脚。飞秒激光可以通过直写诱导生成表面周期性微纳结构(LIPSS)。有效利用飞秒激光烧蚀效应和LIPSS结构可以构建多层级微纳复合结构,实现多种仿生功能表面的制备。目前,飞秒激光已经被用于高效制备出仿生亲/疏水表面、表面结构色处理等,应用于液滴粘滞性调节、各向异性、智能润湿性、微滴操作、油水分离、水雾收集等。

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图6:飞秒激光诱导钛表面微纳复合结构及其仿生超疏水功能

5.3 三维微流体通道多光子吸收产生的微观结构变化也可以改变透明材料内部的化学性质。化学改性区域可以通过湿法蚀刻选择性地去除,从而制造特定的内部三维微流体结构。通过该方法制得的最窄微通道宽度可达几微米。另外,3D 微流体结构也可以通过飞秒激光双光子聚合集成在通道内部,从而实现传统平面结构难以实现的各种微流体功能。

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图7:飞秒激光加工各种截面的微流体管道





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