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Jeff Hecht

    技術(shù)的改進(jìn)已經(jīng)使超快激光器走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入工業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)執(zhí)行精準(zhǔn)細(xì)致的加工任務(wù)。超快激光器的成功之處在于其能將光能集中到皮秒至飛秒的時(shí)間間隔內(nèi)，并將光聚焦到小空間上。這種聚焦為“在不破壞底層區(qū)域的情況下，從材料表面快速、清潔地?zé)�蝕材料”提供了所需要的高光強(qiáng)。

對(duì)加工像玻璃或陶瓷這樣的易碎材料，或者是在渦輪葉片這樣的硬質(zhì)金屬上清潔地鉆孔這樣的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種精確性和精細(xì)性的結(jié)合至關(guān)重要。這些優(yōu)勢(shì)已經(jīng)為超快激光器在醫(yī)療領(lǐng)域贏得了一席之地，其不但可用于制作精細(xì)的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，如用于冠狀動(dòng)脈搭橋手術(shù)中的支架；還能執(zhí)行精細(xì)的醫(yī)療手術(shù)，如角膜手術(shù)。

激光與材料的相互作用

功率強(qiáng)度和脈寬是影響激光束如何與材料相互作用的關(guān)鍵因素。在長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)，材料吸收一部分光能，將其轉(zhuǎn)換成熱量，熱量會(huì)通過(guò)材料傳導(dǎo)。如果光束足夠強(qiáng)，便能熔化材料，熔化的材料會(huì)將熱量傳遞到周?chē)鷧^(qū)域。對(duì)于短至納秒級(jí)時(shí)間尺度的脈沖加工而言，吸收、熔化和熱傳導(dǎo)占主導(dǎo)地位。

當(dāng)脈沖能量以短于約100ps的時(shí)間尺度傳輸時(shí)，根據(jù)材料的不同情況會(huì)發(fā)生顯著變化。隨著脈沖峰值功率的增加，峰值強(qiáng)度急劇上升。例如，持續(xù)1ps的微焦級(jí)脈沖的峰值功率為1MW，當(dāng)它聚焦為5μm的光斑時(shí)，可產(chǎn)生約4×10¹²W/cm²的峰值強(qiáng)度，這足以剝離外層電子。激光與材料相互作用的時(shí)間是如此之短，以至于離子在能夠?qū)⒛芰總鲗?dǎo)到底層材料之前，就已經(jīng)從材料表面被燒蝕掉了。與光強(qiáng)較低的情況相比，在這種燒蝕模式下，能量傳導(dǎo)受材料吸收的影響較小，但是也會(huì)受到材料種類和激光波長(zhǎng)的影響。例如，紫外脈沖比近紅外脈沖更適合切割玻璃之類的透明材料，而近紅外脈沖在玻璃中的傳輸性能更好。

這種加工通常也被稱為“冷燒蝕”。雖然材料表面在片刻間就變得非常熱，但是離子在其加熱或損傷底層材料之前就已經(jīng)被燒蝕掉了，如圖1所示。因此皮秒或飛秒激光脈沖能夠從精細(xì)或易碎材料中無(wú)損去除非常薄的表層。波蘭研究人員已經(jīng)使用強(qiáng)度僅在燒蝕閾值之上的70ps脈沖去除油畫(huà)表面的透明清漆，并利用光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)監(jiān)控整個(gè)去除過(guò)程。^[1] 美國(guó)Photonics Industries公司的Joyce Kilmer說(shuō)：“皮秒激光器能夠?qū)�圖案寫(xiě)到火柴頭上，卻不會(huì)讓火柴點(diǎn)燃。”

圖1：納秒脈沖和飛秒脈沖加工效果的對(duì)比。左圖中的納秒脈沖在燒蝕前會(huì)熔化表面材料，并將熱量傳遞到鄰近區(qū)域，從而影響許多材料。右圖中的飛秒脈沖通過(guò)多光子離子化燒蝕材料，只有很少的熱量傳遞到鄰近的材料中。

一般而言，由于皮秒脈沖的能量通常更高，因此皮秒燒蝕的速度更快；相比之下，飛秒燒蝕往往會(huì)產(chǎn)生更平滑、更精密的加工表面。實(shí)際加工性能取決于脈沖參數(shù)、目標(biāo)材料以及其他方面的考慮。由于燒蝕是將一團(tuán)材料爆散到光路中，因此重復(fù)頻率是很重要的因素。對(duì)于兆赫茲的重復(fù)頻率，可能在下一個(gè)脈沖發(fā)射之前，上一個(gè)脈沖產(chǎn)生的材料還沒(méi)有足夠的時(shí)間消散。千赫茲的重復(fù)頻率有足夠的時(shí)間讓材料消散，所以對(duì)精密去除材料可能更加有效。

適用的材料

冷燒蝕加工適用于一系列材料，包括金屬、半導(dǎo)體、玻璃、晶體和陶瓷。冷燒蝕的典型能量密度閾值在0.05~5J/cm²的范圍內(nèi)，表1中給出了材料對(duì)摻鐿光纖激光器和鈦寶石激光器發(fā)射的飛秒脈沖的典型閾值。^[2]

超短脈沖對(duì)切割或加工易碎材料特別有吸引力，包括玻璃、陶瓷、硅和CIGS（用于薄膜太陽(yáng)能電池的銅銦鎵硒）。利用燒蝕鉆孔或切割玻璃可以避免產(chǎn)生裂縫，并獲得尖銳、清潔的邊緣和表面，如圖2所示。對(duì)于液晶顯示器或手機(jī)上使用的超薄玻璃，可以通過(guò)沿著一系列冷燒蝕激光孔洞對(duì)玻璃進(jìn)行機(jī)械擠壓切割成形。這是由于燒蝕是一種具有高閾值的非線性過(guò)程，經(jīng)過(guò)聚焦的脈沖，僅在焦斑的中心處的激光功率超過(guò)燒蝕閾值，這部分激光脈沖可以鉆出小于衍射極限的孔。

圖2：超快脈沖實(shí)現(xiàn)玻璃的精細(xì)加工。a）利用10μJ的355nm脈沖在玻璃上鉆出的440μm孔；b）利用355nm脈沖在Pyrex玻璃上銑出2mm的正方形區(qū)域。

薄膜加工的工藝過(guò)程更為復(fù)雜，例如加工硅基底上的石英。這對(duì)該應(yīng)用，德國(guó)Solar Energy Research Hameln研究所的研究人員表示，皮秒脈沖不是自上而下燒蝕石英，而是穿過(guò)透明的石英使硅基底熔化，然后蒸發(fā)足夠的熔化物使薄膜從基底上升起。因此其能量閾值取決于SiO₂的厚度。^[3]

由于焦點(diǎn)處具有高得多的功率密度，通過(guò)高數(shù)值孔徑光學(xué)元件聚焦的皮秒脈沖，能夠在玻璃或其他透明材料內(nèi)部刻蝕結(jié)構(gòu)，而不會(huì)影響表面。例如，北京理工大學(xué)利用鈦寶石激光器的35fs脈沖，橫跨單模光纖纖芯刻寫(xiě)出了長(zhǎng)周期的光纖布拉格光柵。^[4]該光柵在1465~1575nm的波段內(nèi)產(chǎn)生20dB的衰減。通過(guò)誘導(dǎo)體材料玻璃內(nèi)部的熔融石英波導(dǎo)的雙折射，加拿大多倫多大學(xué)制造出了2cm長(zhǎng)的波長(zhǎng)選擇性定向耦合器，消光比達(dá)24dB。他們認(rèn)為該分束器“有望為制造三維光電路中的偏振相關(guān)設(shè)備開(kāi)辟新的方向”。^[5]

納米粒子和納米纖維

超快激光器也為脈沖激光沉積提供了新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。納秒激光脈沖已經(jīng)成為薄膜沉積的標(biāo)準(zhǔn)，但是它們會(huì)將10μm的顆粒濺射到薄膜上。當(dāng)愛(ài)爾蘭圣三一學(xué)院（Trinity College）的研究人員檢查納秒脈沖從銀靶上產(chǎn)生的流量時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)離子流量超過(guò)了沉積速率，這表明在表面產(chǎn)生了一些自濺射。然而，他們發(fā)現(xiàn)飛秒脈沖產(chǎn)生的離子流量只有沉積速率的1%，這表明大部分燒蝕材料形成了納米粒子。^[6]其他研究表明，飛秒脈沖產(chǎn)生的納米粒子的大小取決于激光通量、氣體環(huán)境和加工材料。

加拿大Ryerson University的研究人員表示，飛秒脈沖容易產(chǎn)生大量致密、糾纏的石英納米纖維。將摻鐿光纖激光器發(fā)射的重復(fù)頻率為12.4MHz的214fs的脈沖序列，以1.17J/cm²的強(qiáng)度聚焦到硅上，可以產(chǎn)生四種類型的納米纖維絲。其中直徑最大的為幾百納米，長(zhǎng)度達(dá)10mm；最細(xì)的纖維直徑為幾十納米，長(zhǎng)度延伸到數(shù)百微米。然而，纖維的纏結(jié)使研究變得更加困難。^[7]

醫(yī)學(xué)應(yīng)用

超快脈沖能夠干凈地實(shí)現(xiàn)切割加工，并且不破壞周?chē)鷧^(qū)域或形成粗糙的邊緣，這對(duì)加工醫(yī)學(xué)植入物和實(shí)施精細(xì)手術(shù)至關(guān)重要。

對(duì)于在動(dòng)脈阻塞中插入支架和伸縮管、打通動(dòng)脈以恢復(fù)血流來(lái)說(shuō)，光滑的表面尤其重要。人體有時(shí)會(huì)對(duì)植入物起反應(yīng)，在支架上生長(zhǎng)疤痕組織，這會(huì)重新阻塞動(dòng)脈。用超快激光器加工各種材料制成的支架，可以產(chǎn)生非常光滑的表面，從而減少了疤痕組織生長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。

在LASIK（激光原位角膜磨鑲術(shù)）屈光手術(shù)中，在角膜表面切割皮瓣以暴露內(nèi)部組織的應(yīng)用中，飛秒激光器也已成為標(biāo)準(zhǔn)工具。其主要吸引人之處在于能夠比傳統(tǒng)手術(shù)更準(zhǔn)確地切割皮瓣。

現(xiàn)在眼科醫(yī)生正在將飛秒激光技術(shù)擴(kuò)展到用于實(shí)施白內(nèi)障手術(shù)。其中的一個(gè)目的是軟化眼球晶狀體中引起白內(nèi)障的硬核，從而可以很容易地將其去除；另一個(gè)目的是實(shí)施去除眼球晶狀體所需的切割，并在對(duì)眼球其他部位傷害最小的情況下插入替換物。目前有三家公司正在研發(fā)可用于上述兩種手術(shù)的飛秒激光系統(tǒng)。^[8]

目前的研究結(jié)果非常鼓舞人心。在去年10月舉行的美國(guó)眼科學(xué)會(huì)會(huì)議上，邁阿密大學(xué)醫(yī)學(xué)院Bascom Palmer眼科研究所的研究人員報(bào)道說(shuō)，飛秒激光治療減輕了手術(shù)要求，并且減少了晶狀體去除過(guò)程中的超聲暴露。在同一次會(huì)議上，俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)的研究人員報(bào)道說(shuō)，飛秒激光手術(shù)避免了關(guān)鍵角膜內(nèi)皮細(xì)胞的損傷，而傳統(tǒng)的白內(nèi)障手術(shù)會(huì)造成這種損傷。

展望

超快激光加工在很大程度上歸功于皮秒激光器和飛秒激光器的產(chǎn)業(yè)化，從而使得非專業(yè)人員可以在工業(yè)和醫(yī)學(xué)環(huán)境中使用它們。到目前為止，超快激光器在一些特定應(yīng)用中已經(jīng)非常成功，但是其成本和材料去除速度方面仍然存在很大的局限性。然而無(wú)論如何，超快激光器在性能上的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于像醫(yī)療植入支架和精細(xì)眼科手術(shù)這樣高要求的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，還是非常引人注目的。

參考文獻(xiàn)

1. P. Targowski et al., "Picosecond laser ablation system with process control by Optical Coherence Tomography," Proc. SPIE, 7391, 7391-15 (2009).
2. IMRA, Technical Note T-0401, "High Precision Machining"; http://www.imra.com/pdf/TechNoteT0401.pdf.
3. S. Hermann et al., "Picosecond laser ablation of SiO₂ layers on silicon substrates," Appl. Phys. A, 99, 151–158 (2010); doi:10.1007/s00339-009-5464-z.
4. B. Li et al., "Femtosecond laser fabrication of long period fiber gratings and applications in refractive index sensing," Optics & Laser Technol., 43, 1420–1423 (2011).
5. L.A. Fernandes et al., "Femtosecond laser fabrication of birefringent directional couplers as polarization beam splitters in fused silica," Opt. Exp., 19, 11992 (June 20, 2011).
6. I. Mirza and J.G. Lunney, "Fabrication of metal nanoparticle films using pulsed laser deposition," 30th ICPIG, Belfast, Northern Ireland, UK (Aug. 28–Sept. 2, 2011); http://mpserver.pst.qub.ac.uk/sites/icpig2011/187_D13_Mirza.pdf.
7. K. Venkatakrishnan et al., "Nanofibre fabrication by femtosecond laser ablation of silica glass," Opt. Exp., 19, 15776 (Aug. 15, 2011).
8. L. He, K. Sheehy, and W. Culbertson, "Femtosecond laser-assisted cataract surgery," Current Opinion in Ophthalmol., 22, 43–52 (January 2011); doi:10.1097/ICU.0b013e3283414f76.