從1995年飛秒激光開始用于材料加工以來(lái),由于其獨(dú)特的加工優(yōu)勢(shì)很快得到人們廣泛的關(guān)注。2003年Rizvi NH總結(jié)了飛秒激光對(duì)金屬、玻璃、金剛石、各種聚合物、陶瓷等材料的微加工進(jìn)展情況,從各方面證實(shí)了飛秒激光是一種優(yōu)秀的微加工光源。飛秒激光非線性現(xiàn)象所引發(fā)的一系列新的應(yīng)用如在玻璃內(nèi)部寫入光波導(dǎo)、耦合器、光柵、光子晶體、微光學(xué)元件等,以及利用多光子聚合產(chǎn)生亞微米結(jié)構(gòu)超衍射極限加工方面。

一.玻璃材料加工應(yīng)用方向

1. 光波導(dǎo)

1996年,日本的Davis K M等人首次利用再生放大的鈦寶石飛秒激光成功地在各種玻璃(如高硅玻璃﹑硼酸鹽玻璃、鈉鈣玻璃及氟化玻璃)內(nèi)得到光波導(dǎo),檢測(cè)到純硅、摻鍺硅玻璃被照區(qū)域折射率增加量(△n)為0.01至0.0351,23。1999年日本物理化學(xué)研究所(RIKEN)的Sung-Hak Cho等人在光纖纖芯中得到長(zhǎng)度為9~10mm單模光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并檢測(cè)到最大的折射率變化量為0.021124。

2. 耦合器

1999年,美國(guó)Homoelle D等人利用鈦寶石飛秒放大器輸出的飛秒激光脈沖,分別使純?nèi)廴诙趸韬蛽脚鹗⒉Ａд凵渎试龃?x10-3和5x10-3，在純?nèi)廴诙趸鑳?nèi)部獲得Y型耦合器。美國(guó)康寧公司Streltsov A M等人于2001年首次利用飛秒鈦寶石振蕩器輸出的納焦飛秒脈沖在 Schott KZF2硅酸硼玻璃內(nèi)加工得到定向耦合器圈。

3. 光柵

2000年,日本科技株式會(huì)社的Kawamura K 等人首次通過(guò)兩束紅外飛秒激光發(fā)生干涉,在各種透明的電介質(zhì)材料(如藍(lán)寶石單晶、二氧化硅玻璃等)上得到表面浮雕全息光柵。該方法是產(chǎn)生兩束飛秒激光然后經(jīng)過(guò)普通的聚焦透鏡,樣品置于激光焦平面。法國(guó)巴黎理工學(xué)校 Sudrie L等人利用再生放大的鈦寶石飛秒激光在熔融二氧化硅內(nèi)寫入永久性雙折射結(jié)構(gòu),得到線寬6~7um周期為20um的光柵。

4. 光存儲(chǔ)

1999年.日本QiuJ等人首次觀察到紅外飛秒脈沖照射后的氟錯(cuò)酸鹽玻璃內(nèi)的永久性光致還原現(xiàn)象(Eu*還原為Eu"+),該現(xiàn)象提供了一種具有高存儲(chǔ)密度的三維光存儲(chǔ)方法。2000年,日本大阪大學(xué): Wataru Watanabe等人首次研究了飛秒激光脈沖照射二氧化硅玻璃時(shí)對(duì)空穴的捕獲及兩空穴的合并現(xiàn)象,提供了一種新的可再寫三維光存儲(chǔ)技術(shù)。

5. 各種非線性晶體

2000年,日本Kiyotaka Miura等人首次成功地利用800nm飛秒激光在 BaO-AlgOs-BgO玻璃內(nèi)部生長(zhǎng)出具有單晶結(jié)構(gòu)的BBO(偏硼酸鋇)倍頻晶體,并觀察到入射紅外激光的藍(lán)色倍頻光3。樣品玻璃的組成是47.5BaO:5AIgOg:47.5B.Os,飛秒激光經(jīng)顯微物鏡聚焦到樣品內(nèi)部,發(fā)現(xiàn)激光輻照部分有球形區(qū)域形成,并隨時(shí)間擴(kuò)大然后變?yōu)楹阒?。?dāng)停止激光輻照時(shí),圓形面積有輕微的縮小然后保持固定。分析認(rèn)為,球形區(qū)域的形成是由于聚焦激光束的壓力波和局部受熱造成的。當(dāng)照射10分鐘后,在焦點(diǎn)附近有晶體產(chǎn)生。移動(dòng)激光束焦點(diǎn)位置可在玻璃樣品內(nèi)連續(xù)地產(chǎn)生頻率變換晶體。

6. 微光學(xué)元件

2003年,日本物理化學(xué)研究所(RIKEN)的 Ya Cheng 等人利用飛秒激光在光敏玻璃內(nèi)(Foturan)制作了三維微光學(xué)元件!K。實(shí)驗(yàn)中他們不僅在玻璃內(nèi)部制作了45°內(nèi)部微型反射鏡,還制作了由三個(gè)內(nèi)部微型反射鏡組成的光學(xué)回路,可以使光束在4mm x5mm面積內(nèi)轉(zhuǎn)270°。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),如果對(duì)樣品作退火處理,刻蝕表面的粗糙程度會(huì)得到很大改善,從而也改善了光學(xué)元件的光學(xué)性能。

二.飛秒加工系統(tǒng)簡(jiǎn)介

津鐳光電開發(fā)的飛秒激光微納加工系統(tǒng)，集成度高，體積??；使用輕質(zhì)高強(qiáng)的工業(yè)級(jí)鋁作為主體結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性的同時(shí)，也更便于運(yùn)輸；光路內(nèi)置輔助模塊，使得系統(tǒng)光更容易定焦，同時(shí)也簡(jiǎn)化了光路的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)配置一體化的軟件，操作簡(jiǎn)單，可以實(shí)時(shí)觀察整個(gè)加工過(guò)程。加工系統(tǒng)支持各種定制，可滿足不同應(yīng)用的需求。主要應(yīng)用在光纖光柵，光波導(dǎo)，光學(xué)超材料結(jié)構(gòu)，微孔加工等方面，可拓展到其他微納米結(jié)構(gòu)加工制造，如微流控芯片，光柵，微透鏡，柔性傳感器，精密切割，材料表面處理等更多應(yīng)用中。Genlaser開發(fā)的激光加工系統(tǒng)幾乎可以應(yīng)用在所有的微加工領(lǐng)域。