從1995年飛秒激光開始用于材料加工以來,由于其獨特的加工優(yōu)勢很快得到人們廣泛的關(guān)注。2003年Rizvi NH總結(jié)了飛秒激光對金屬、玻璃、金剛石、各種聚合物、陶瓷等材料的微加工進展情況,從各方面證實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、耦合器、光柵、光子晶體、微光學元件等,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

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,檢測到純硅、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年日本物理化學研究所(RIKEN)的Sung-Hak Cho等人在光纖纖芯中得到長度為9~10mm單模光波導結(jié)構(gòu)并檢測到最大的折射率變化量為0.021124。

2. 耦合器

1999年,美國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,日本科技株式會社的Kawamura K 等人首次通過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)過普通的聚焦透鏡,樣品置于激光焦平面。法國巴黎理工學校 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

1999年.日本QiuJ等人首次觀察到紅外飛秒脈沖照射后的氟錯酸鹽玻璃內(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密度的三維光存儲方法。2000年,日本大阪大學: Wataru Watanabe等人首次研究了飛秒激光脈沖照射二氧化硅玻璃時對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,并隨時間擴大然后變?yōu)楹阒?。當停止激光輻照時,圓形面積有輕微的縮小然后保持固定。分析認為,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。當照射10分鐘后,在焦點附近有晶體產(chǎn)生。移動激光束焦點位置可在玻璃樣品內(nèi)連續(xù)地產(chǎn)生頻率變換晶體。

6. 微光學元件

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

二.飛秒加工系統(tǒng)簡介

津鐳光電開發(fā)的飛秒激光微納加工系統(tǒng)，集成度高，體積小；使用輕質(zhì)高強的工業(yè)級鋁作為主體結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性的同時，也更便于運輸；光路內(nèi)置輔助模塊，使得系統(tǒng)光更容易定焦，同時也簡化了光路的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)配置一體化的軟件，操作簡單，可以實時觀察整個加工過程。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，光學超材料結(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。