導讀：本文內容來自洪明輝教授在「光學前沿——第十二屆全國激光技術與光電子學學術會議（LTO 2017）」上做特邀報告，他用四個工作來說明瞭激光精密加工方面的一些應用。

眾所周知，激光的單色性、相干性以及方向性都非常好，在激光加工應用中最關鍵的科學問題就是激光與物質的相互作用，這是一個動態又很複雜的過程，相互作用時間也非常短。

從物理上來講，可以分成兩個方面，一方面是光轉換成熱的過程，另一方面是光引起的化學變化過程。例如，光引起的化學變化已經應用於半導體上用來做晶圓的光刻，具體來說就是光照射在光刻膠上使化學鍵斷裂，然後使之硬化，最後通過對光刻膠的處理，掩模的信息就被傳遞到了晶圓上。

從納秒、皮秒到飛秒，對於不同脈衝寬度的激光加工，其機理完全不一樣。

現在我們做的大部分激光微納加工甚至高功率激光加工，是由脈衝模式的光照射在襯底表面上，襯底吸收能量以後，電子首先跟晶格發生相互作用，這個過程大概是在皮秒時間量級。對納秒來講，電子跟晶格的相互作用在一個脈衝激光結束以前，就會把能量傳遞給晶格，所以溫度是相同的，但如果脈衝寬度變成飛秒或者皮秒量級，這兩個溫度就會不一樣，那就需要用雙溫度模型來研究加工過程。

不管用哪個量級的脈衝激光來做加工，它都會使襯底表面受熱升溫，如果我們能精確調控激光能量，就可以選擇讓襯底熔化，即從固態變成液態的過程。如果再調控更高的激光能量，可以使材料發生氣化，就是從固態、液態到氣態的變化過程。如果能量更高，氣態就會衍生出第四態的等離子體，形成離子化的氣體。

材料蒸發以後就濺射出去，在飛行過程中與軌道上的物質發生相互作用，形成很多的納米顆粒，這也是納米顆粒製造的新手段。而材料受輻射蒸發過程中，在等離子的衝壓下可以在襯底的表面形成一個坑，利用這個方法，通過控制激光的能量，能夠得到各種各樣的加工效果。

下面就用四個工作來說明我們在激光精密加工方面的一些應用。

是用激光照射產生的等離子體來輔助玻璃的加工，可以用納秒脈寬的可見光波段激光來加工。玻璃在工業上有很多應用，這種應用在微電子方面相當廣闊。現在我們手機用到的玻璃是300 μm厚，下一代就是200 μm了，就是兩根頭髮絲那麼薄，絕對不能用金剛刀去切，也不能用化學法，只能用激光來做。

方法其實很簡單，在透明的玻璃底下放上襯底，光透過玻璃，襯底是金屬的，那麼金屬會被蒸發，蒸發後產生等離子體，等離子體在空氣裡面，會飛行到玻璃的背面，等離子體是一種溫度很高的氣體，它會在玻璃背面跟玻璃表面相互作用，控制它們之間的距離，可以把材料沉積在玻璃表面上，甚至使蒸發出來的材料摻雜到玻璃裡面，後面的光再照射就可以加工這個玻璃，基於這個方法，現在普通的打標機就能加工了。

一般來說，激光聚焦了非常大的能量密度，玻璃被打壞了就會產生裂紋，但我們的方法和現在一般的激光打標完全不一樣，那是在玻璃正面加工，而我們做的是在玻璃背面加工，可以做到非常完美的加工過程。這是金屬澱積到玻璃背面的過程，可以通過調控加工參數從而實現對顏色的深度、對比度的調整。通過置放不一樣的襯底，比如碳化硅，可以在玻璃上打標出黑色的圖像，如果是用鋁可以得到白色的，如果用銅可以得到紅色，用黃金則可以得到黃色。

通過控制激光能量，金屬材料甚至可以被鍍到玻璃裡面去，基於元素分析測試，在襯底表面硅和氧的成分非常少，只有銅的成分，但深度到了7 μm左右，銅的含量就很低了。這個事實告訴我們，這種激光加工方法可以把銅顆粒鍍到玻璃裡面大概10 μm的深度。基於此就可以產生很多應用，例如直接在玻璃上製備電路的金屬線。高質量的激光器為加工方法的提升提供了基礎，而獨特的加工工藝則可創造意想不到的加工效果。

用飛秒激光器加工一層超薄的生物薄膜——人造皮膚，厚度只有1～10 μm，相當於頭髮絲直徑的大概十分之一。

也可以做人造血管，血管分兩層，裏外兩層的分子是不一樣的，中間有聚己內酯（PCL）薄膜層，我們利用生物降解的材料來做這層，用飛秒激光進行加工。先用薄膜生長以後，根據人的細胞生長方向，鑽出各種各樣的孔，然後把它捲起來，細胞在孔上生長，最後兩層細胞融合在一起，做出人造血管，現在這項技術正在動物身上做實驗。

不僅可以做人造血管，還可以做人造心肌，心肌比較厚，不能只做一層，所以就做多層。根據不一樣的細胞的纖維移動的方向，我們做5層出來，每一層鑽孔的方向都是不一樣的，每一層之間進行生長細胞，然後再進行培養，就可以做出來。這就說明飛秒激光是一種非常好的加工手段，它是一種非常少熱的加工過程，跟生物醫學結合可以做出一些非常好的工作。

解決激光加工的速度問題。

激光加工是一個透鏡、一束光，像一支筆在寫字，做微納加工的時候可以做得很漂亮，但是怎麼樣能把速度加快？我們採用並行的加工方法。上圖是我們最近開發的微透組鏡，利用激光輔助光刻技術可以製備出一塊2 cm×2 cm大小排列100萬個微透鏡陣列，利用此微透鏡陣列可以並行加工在幾分鐘內成功製造百萬個開口諧振環。

那怎麼並行做呢？首先飛秒激光器通過擴束器，使光束覆蓋全部微透鏡陣列，依靠7軸納米平移臺可以快速完成高精度的微納米結構並行加工。

是用納秒脈衝激光製造複合微納構造。

例如，可以做表面增強型的拉曼光譜，用黑硅可以做到波長300~1200 nm，每一個波長的反射率都小於1%，基本就不反射了。

上文提到金屬原子蒸發，到了空氣裡面冷卻後，原子和原子間抱團生成納米顆粒，在重力作用下掉到襯底表面上，它此時溫度還很高，會和襯底表面很密合地粘結在一起。調整粒子入射角度，就可以更好地控制這個顆粒。上圖是我們做的一個結果，中間的材料被打走，鍍上一層10~20 nm的金屬，用表面等離子體可以增加拉曼光譜信號，信號可以增加10倍。

來源：光易網 http://www.laserused.com

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