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紫外飞秒激光加工的优势
作者:小月    文章来源:一网激光    点击数:    更新时间:2019/11/25    
                                             紫外飞秒激光加工的优势
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      随着现代工业的发展,对加工精度的要求不断提高,而影响激光加工精度的主要因素之一就是加工系统的衍射极限。衍射极限是描述一个光学系统成像或加工精度的物理参数,衍射极限越小则加工精度越高。通常,衍射极限是与入射光的波长成正比的,因此减小激光波长便成为提高衍射极限最直接、有效的手段,比如当前工业中大规模使用的紫外光刻技术就是通过减小激光波长来提高加工精度的。
紫外激光指的是波长小于380nm的激光,相比于目前飞秒激光常用的波长(主要在可见光波段,380nm-760nm),紫外飞秒激光的加工精度更高。同时,由于紫外飞秒激光的波长短,单光子的能量很大,光子可以直接切断分子或原子的结合键,实质属于光化学反应,基本没有融化现象,从而限制了热效应的影响。另一方面,紫外波段是许多聚合物的敏感波段,如光刻胶等。这些聚合物在紫外飞秒激光的照射下会发生双光子聚合效应,使流动的胶体聚合成为机械强度较高的固体,加工过后再将光刻胶洗去,便可以得到所要的结构。利用这一原理可以进行超精细的三维结构加工。
矢量、涡旋光场飞秒加工的特点和优势
传统的飞秒激光加工主要关注的是激光的能量特征,利用飞秒激光光场的超高能量诱导材料的非线性效应,以达到加工的目的。在光与物质相互作用的过程中,不仅存在能量的吸收,更存在动量的交换,这意味着新型的激光模式在飞秒加工领域更能发挥其优势。
矢量、涡旋光场是两种最典型的新型激光模式,其偏振、相位的空间拓扑特性使得光场具有一些特殊的物理性质。比如,矢量光场可以会聚为超衍射极限的焦斑,尺寸更小,因此加工精度更高。另一方面,光场自身携带的光子角动量能与物质进行动量交换。例如,具有螺旋状相位结构的涡旋光场则携带光子轨道角动量,驱动微粒绕固定轴转动;左旋或右旋圆偏振光携带光子自旋角动量,可以诱导微粒自转;偏振态随空间位置变化的矢量光场则可以表现出角动量之间的相互作用。同样,矢量、涡旋光场的动量特性也可以用于飞秒激光加工领域,例如使用涡旋光场诱导手性结构、利用矢量光场诱导复杂的花纹图案等。
相较于传统的飞秒激光加工,时空特性可控的高功率紫外激光系统产生的矢量、涡旋光场飞秒激光加工使得加工结构多样化、复杂化。通过设计光场的相位、偏振态分布,可以得到各式各样表面图案甚至复杂的三维拓扑结构。利用飞秒激光脉冲整形技术结合空间光调制技术、时空聚焦技术等对超快激光脉冲时域以及频域进行调制,实现在不同材料内部的三维微纳加工和实际应用,这些技术有望在新型集成光学和微纳光学中发挥重要的作用。
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