超快激光,又稱超短脈沖激光,是指脈沖寬度在幾十ps(1ps=10-12s【10的負12次方】)及以下量級的脈沖激光。自1960年第一臺激光器誕生以來,超短的脈沖寬度和超高的功率一直是激光器的重要發(fā)展方向。此后,超快激光技術得到迅速發(fā)展,并被廣泛應用于先進制造、超快成像、信息存儲及臨床醫(yī)學等領域。

與連續(xù)激光加工或長脈沖激光加工相比,超快激光脈沖加工具有持續(xù)時間短、峰值功率高、熱影響區(qū)小等特點。超短脈沖持續(xù)時間使激光能量主要沉積在光子-電子作用過程中的極小范圍內,可極大地減少重鑄層及微裂紋等缺陷的產生;超快激光脈沖加工可以在一定程度上避免長脈沖激光加工中常見的等離子體屏蔽效應的產生;超快激光峰值功率可達100TW，幾乎可以加工所有材料,包括金屬、半導體、電介質及生物組織等。由于峰值功率高,超快激光與原子、自由電子、離子及等離子體等的相互作用是非線性、非平衡過程,不再是熱熔過程。短脈沖激光損傷閾值的統(tǒng)計不確定性更小,這些特點使得飛秒激光加工可以達亞微米精度。

傳統(tǒng)超快激光高斯光束的空間、時間能量分布在加工中具有局限性,以單點聚焦掃描為主的加工方法難以滿足制造的精度、效率及跨尺度加工要求。因此,研究人員將目光聚焦到超快激光光束整形的制造方法上。激光光束整形通�？煞譃榭沼蛘�形、時域整形和時空域協(xié)同整形�？沼蛘�形是指改變激光能量在空間范圍內的分布,時域整形是指改變激光能量隨時間的分布。與傳統(tǒng)的高斯光束相比,整形后的光束具有新的空間和時間能量分布,可以滿足特定應用要求,在加工質量、精度及效率方面有更大的優(yōu)勢。

本文僅簡單介紹超快激光時域光束整形方法及應用。

時域光束整形是指采用4f系統(tǒng)、光柵/棱鏡對或可控衍射器件等實現(xiàn)任意脈沖形狀或者整形脈沖序列的產生。時域光束整形將傳統(tǒng)的一個超快脈沖整形成一個脈沖序列,每個脈沖序列由間隔從飛秒到皮秒的數(shù)個子脈沖組成,且每個子脈沖之間的能量比也可以自由設計。時域光束整形常見的方法有傅里葉變換法、SLM、超表面法及薄膜法等。

下圖是采用光學4f系統(tǒng)對皮秒激光進行時域整形,其基本原理為將入射激光從時域轉換至頻域,利用頻率調制器,經相應調制后再還原至時域,最終得到想要的時域整形激光脈沖。

傅里葉變換脈沖整形基本裝置

第二種是基于衍射的方法,該方法通過二維相位SLM同時對飛秒激光脈沖的相位和振幅進行整形。該方法抑制了飛秒脈沖整形中調制器缺陷導致的某些類型的時域復制特征,并允許適用于各種應用的多路輸出。下圖是使用動態(tài)介電超表面,通過操縱頻率分量的相位和幅值來進行近紅外超短(飛秒)脈沖整形。

使用介電超表面的超快光學脈沖整形

具體應用：

案例1：使用飛秒激光脈沖序列輻照加化學刻蝕的方法在石英玻璃中加工微通道，觀察脈沖延遲和脈沖能量分配比對微通道加工結果的影響。

與傳統(tǒng)的飛秒脈沖相比,時域整形飛秒激光脈沖序列可以大大提高刻蝕速率,這種增強主要是通過超快激光脈沖整形對材料的局域瞬態(tài)電子動力學進行控制,從而獲得較高的光子吸收效率和均勻的改性區(qū)來實現(xiàn)的。利用時域整形飛秒脈沖序列對材料進行局域瞬態(tài)電子動力學控制,實現(xiàn)了石英玻璃的非偏振刻蝕。由于脈沖序列的脈沖延遲大于1ps,因此不會形成與相干場矢量相關的耦合,場不再具有方向性,從而形成了無序互連的納米結構,而不是傳統(tǒng)非整形脈沖加工時常形成的納米光柵結構。

飛秒激光輔助化學刻蝕微通道的光學顯微圖 (a)常規(guī)脈沖;(b)雙脈沖

案例2：通過改變飛秒激光脈沖序列的脈沖延時和掃描速度,利用在硅上加工LIPSS時的偏振相關各向異性,實現(xiàn)了掃描線寬的可調控。

利用偏振正交的飛秒激光雙脈沖序列在硅表面上操縱LIPSS的走向,使得無論激光掃描路徑如何變化,LIPSS的走向都垂直于該處的掃描方向。脈沖延遲對顆粒尺寸的調控下如圖所示。與單個脈沖相比,飛秒激光雙脈沖的脈沖延遲為20ps時,該方法可將產率提高2.6倍,將所得硅納米顆粒的平均尺寸減小約1/5。

脈沖延遲時間不同的情況下制備的硅納米顆粒的透射電子顯微鏡(TEM)圖及相應的尺寸分布（a）0 fs；（b）100 fs；（c）200 fs；（d）1000 fs   

轉自：光學與半導體綜研

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