1月5日消息，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）正在開發(fā)一種基于銩元素的拍瓦級激光技術(shù)，該技術(shù)旨在替代現(xiàn)有的極紫外光刻（EUV）工具中使用的二氧化碳激光器，并預(yù)計將光源效率提高約十倍。這一技術(shù)突破可能會為下一代“超越EUV”的光刻系統(tǒng)鋪平道路，使得芯片制造速度更快且能耗更低。LLNL主導(dǎo)的“大口徑銩激光”（BAT）技術(shù)針對這些問題設(shè)計。BAT激光器的操作波長為2微米，與二氧化碳激光器的10微米波長不同，這理論上能夠提升錫滴與激光在相互作用時將等離子體轉(zhuǎn)化為EUV光的效率。

另外，BAT系統(tǒng)使用二極管泵浦固態(tài)技術(shù)，比氣體二氧化碳激光器在整體電效率和熱管理上表現(xiàn)更為優(yōu)越。根據(jù)行業(yè)分析公司TechInsights的預(yù)測，到2030年，半導(dǎo)體工廠的年用電量將達到54,000吉瓦（GW），超過新加坡或希臘的年用電量。如果下一代超數(shù)值孔徑（Hyper-NA）EUV光刻技術(shù)投入使用，能耗問題可能會進一步惡化。因此，行業(yè)對更高效、更節(jié)能的EUV設(shè)備技術(shù)的需求將會持續(xù)增長，而LLNL的BAT激光技術(shù)無疑為這一需求提供了新的可能性。

飛秒激光器被譽為20世紀最偉大的發(fā)明之一，其主要特點包括：

方向性好：激光束可以被聚焦成非常細小的點，適用于精密加工。

單色性好：激光的波長非常單一，減少了色散的影響。

相干性好：激光的波相位一致，使得波可以疊加，增強了光的強度。

飛秒激光器的發(fā)展歷程

20世紀70年代，首次在染料激光器中實現(xiàn)了飛秒級的激光脈沖。這標志著超短激光脈沖技術(shù)的初步發(fā)展。

20世紀90年代初，克爾透鏡鎖模技術(shù)在鈦寶石激光器中的應(yīng)用，導(dǎo)致了脈寬的進一步縮小和峰值功率的顯著提升，使得飛秒激光技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。

什么是飛秒(fs)？飛秒是時間單位，非常短暫：

1秒(s)=10^0s=1s

1納秒(ns)=10^-9s=0.000000001s

1皮秒(ps)=10^-12s=0.000000000001s

1飛秒(fs)=10^-15s=0.000000000000001s

想象一下，光在如此短的時間，能跑多遠？假設(shè)地球上有個人將激光筆對著月亮，大概1.3秒后，激光就會達到月球表面。當(dāng)然得理想化一點，光沒有散射或損耗。而對于1皮秒的時間，光也就只能走頭發(fā)絲打個結(jié)的距離了。

因此，飛秒激光在時間和空間上都展示了極高的精度，這使得它在科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)（如激光眼科手術(shù)）、材料加工、光通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

從激光器的功率變化來看，飛秒激光技術(shù)確實經(jīng)歷了三個主要發(fā)展階段：

第一代-染料激光器（20世紀70年代）：

這代技術(shù)能夠?qū)⒚}沖寬度縮短到幾十飛秒。

然而，由于染料激光器儲能能力的限制，其脈沖能量僅為微焦耳（μJ），峰值功率也僅達到了兆瓦（MW）級別。

第二代-寬帶固體激光介質(zhì)（20世紀80年代）：

隨著寬帶固體激光介質(zhì)的出現(xiàn)，特別是鈦寶石（Ti:sapphire）激光介質(zhì)的應(yīng)用，飛秒激光技術(shù)得到了顯著提升。

鈦寶石激光器不僅提供了更高的穩(wěn)定性和更短的脈寬，還提高了激光的峰值功率。

第三代-啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）：

由DonnaStrickland和GérardMourou提出的啁啾脈沖放大技術(shù)（ChirpedPulseAmplification,CPA）在2018年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

CPA技術(shù)允許激光脈沖在放大之前先進行頻率擴展，然后再壓縮回短脈沖，這種方法大大提高了激光的峰值功率。

通過CPA技術(shù)，飛秒激光的峰值功率可以達到拍瓦（PW，1PW=10^15W）級別，這對于激光物理和應(yīng)用領(lǐng)域都有革命性的影響，如在激光加工、醫(yī)學(xué)、和基礎(chǔ)科學(xué)研究中。

這三個階段展示了飛秒激光技術(shù)在功率、脈寬和應(yīng)用范圍上的不斷進步和突破。

啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）確實是超高峰值功率超短脈沖激光技術(shù)發(fā)展的一個重要里程碑。它不僅推動了超強超短激光和強場激光物理的研究領(lǐng)域，還促進了阿秒脈沖的產(chǎn)生。

第三代飛秒激光技術(shù)中的前沿技術(shù)-光參量啁啾放大技術(shù)（OPCPA）：

OPCPA技術(shù)進一步挑戰(zhàn)了高峰值功率和高平均功率激光的極限，力求在激光物理和應(yīng)用領(lǐng)域中取得更大的突破。

飛秒激光的脈寬范圍從幾飛秒到幾百飛秒，這使得其在材料加工、化學(xué)反應(yīng)誘導(dǎo)等方面具備高度的控制性，使得材料在特定區(qū)域內(nèi)發(fā)生精確的物理和化學(xué)變化。

飛秒激光的優(yōu)勢

脈沖時間短：飛秒激光的脈寬通常小于電子與聲子耦合的時間（1-100皮秒）。這意味著在這種極短的時間內(nèi)，激光能量主要被電子吸收并迅速傳遞給晶格，而沒有顯著的熱擴散。

熱影響區(qū)最小化：由于飛秒激光脈沖時間極短，激光作用區(qū)域周圍的熱影響區(qū)（HeatAffectedZone,HAZ）可以忽略不計。這使得飛秒激光在材料加工中能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的加工效果。

對比：圖(a)展示了傳統(tǒng)激光加工時材料的熱影響區(qū)，顯示了較大的熱擴散區(qū)域。

圖(b)則展示了使用飛秒激光加工時，材料的熱影響區(qū)顯著減少，甚至可以忽略不計，體現(xiàn)了飛秒激光在精密加工中的優(yōu)勢。

這種技術(shù)的應(yīng)用不僅在材料科學(xué)中開辟了新的加工方式，對微電子、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)通信等領(lǐng)域也產(chǎn)生了深遠的影響。飛秒激光技術(shù)的持續(xù)發(fā)展為科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用提供了更精確、更高效的工具。

近些年來，超短脈沖激光在精密加工領(lǐng)域備受關(guān)注。由于其脈寬短于絕大多數(shù)物理化學(xué)過程的特征時間（如電子弛豫時間和電子-聲子弛豫時間），使得在制造過程中調(diào)控電子狀態(tài)以及實現(xiàn)“非熱加工”成為可能。與長脈沖激光相比，飛秒激光加工是一個非線性、非平衡過程，具有以下顯著特點：

閾值效應(yīng)明顯。極小化熱影響區(qū)。極小化重鑄層。高可控性。

這些特性使得飛秒激光在過去十幾年間被廣泛應(yīng)用于微納制造領(lǐng)域。例如，它可用于加工：

光波導(dǎo)。表面微納結(jié)構(gòu)。微流體裝置。微傳感器。三維光子晶體結(jié)構(gòu)。

飛秒激光微納制造在生物醫(yī)療、新能源、汽車、大飛機等領(lǐng)域作為一種新型制造方法，受到了廣泛關(guān)注。特別是對于微納尺度的高品質(zhì)孔，飛秒激光比傳統(tǒng)加工方法更有效。

傳統(tǒng)加工方法的局限性：

電子束加工和聚焦離子束：條件苛刻、效率低、設(shè)備昂貴。

電火花腐蝕：僅限于導(dǎo)電材料。

電化學(xué)打孔：效率極低，材料選擇有限。

機械鉆孔：對硬材料加工困難，且深徑比較小。

飛秒激光微孔加工的優(yōu)點包括：

材料適應(yīng)性廣泛。非接觸式加工。無污染。高精度。高效率。

對于30μm以下的微孔，飛秒激光是理想的加工手段之一。過去的十幾年間，飛秒激光微孔加工一直是研究的熱點，主要包括：

空氣或真空中的直接鉆孔。飛秒激光改性輔助化學(xué)腐蝕加工。液體輔助飛秒激光三維鉆孔。

在應(yīng)用中，選擇加工方法時需要考慮微孔結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、功能要求和成本等因素。其中，直接鉆孔（即激光聚焦后沿激光傳播方向打孔）是最常見、也最簡單直接的激光微孔加工方法。

飛秒激光微孔加工現(xiàn)狀

1985年，Strickland等人首次使用啁啾脈沖放大（ChirpedPulseAmplification,CPA）技術(shù)，獲得了高峰值的超短脈沖激光。1991年，Spence等人發(fā)明了鎖模鈦寶石激光器，使得飛秒激光器的結(jié)構(gòu)變得更加簡單和穩(wěn)定。此后，高功率飛秒激光器逐漸走向商業(yè)化，基于飛秒激光的應(yīng)用研究也日益成為熱點領(lǐng)域。

研究表明，與長脈沖激光加工中明顯的熔化現(xiàn)象相比，飛秒激光在微孔加工中展示出以下優(yōu)勢：

高精度。極小化重鑄。高可控性。可重復(fù)性。

不同脈寬時100μm的薄層鋼材的鉆孔結(jié)果。（a）200fs；（b）80ps；（c）3.3ns

飛秒激光還具有超高的瞬時脈沖能量和高光子密度，可實現(xiàn)材料的非線性多光子吸收。脈沖寬度為幾飛秒到數(shù)百飛秒的飛秒激光能夠在理想且可控的區(qū)域內(nèi)誘發(fā)材料的化學(xué)和物理變化。飛秒激光器的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于，它可以通過在超短的時間內(nèi)限制光與物質(zhì)的相互作用，從而顯著減少熱影響區(qū)。由于其超高瞬時脈沖能量和高光子密度，當(dāng)飛秒激光聚焦在基底上時，會發(fā)生非線性吸收。這些特性賦予了飛秒激光高精度3D微加工硬質(zhì)材料的能力。

展示了材料電子激發(fā)引起的單光子和多光子吸收過程：

單光子吸收：這種吸收過程僅在光子能量超過材料的帶隙時才會發(fā)生電子激發(fā)。單光子吸收是線性的，只要材料受到照射，光吸收就會發(fā)生，無法精確地用于制造3D微結(jié)構(gòu)。

多光子吸收：當(dāng)光子密度足夠高時，即使單個光子能量低于材料的帶隙，也可以發(fā)生電子激發(fā)。此過程是非線性的，因此飛秒激光可以利用這一特性在透明材料內(nèi)部制造3D微結(jié)構(gòu)。這種方法允許在材料的深層進行加工，而不受表面的限制，實現(xiàn)了真正的三維微加工。

（a）單光子吸收（黑色虛線）、3光子吸收（黑色虛線）和5光子吸收（紅色實線）期間吸收的能量分布?？讖接杉t色虛線表示；(b) 玻璃中納米級孔的 SEM 顯微照片。紅色圓圈表示 1/e2 焦點尺寸 [19]（經(jīng) PNAS 許可轉(zhuǎn)載。2004 美國華盛頓特區(qū)國家科學(xué)院）。

材料對激光照射的響應(yīng)在很大程度上取決于激光脈沖的能量密度。當(dāng)激光能量顯著超過基底的損傷閾值時，激光與物質(zhì)之間的強烈非線性相互作用會引起材料的去除，這種現(xiàn)象被稱為激光燒蝕。飛秒激光燒蝕由于熱影響區(qū)很小，因此在半導(dǎo)體和金屬的鉆孔和切割中得到了廣泛應(yīng)用。然而，激光誘導(dǎo)的微納米結(jié)構(gòu)以及微結(jié)構(gòu)表面的微納米顆粒通常不能滿足光學(xué)應(yīng)用的要求：

微納米結(jié)構(gòu)：這些結(jié)構(gòu)可能不平滑，影響光的傳遞和散射。

微納米顆粒：在表面上可能產(chǎn)生不規(guī)則的散射中心，影響光學(xué)性能。

為了提高這些表面結(jié)構(gòu)的光滑度，通常需要進行后處理，包括但不限于：

熱退火：通過加熱來重新排列或熔化表面的微結(jié)構(gòu)，達到平滑的效果。

蝕刻工藝：使用化學(xué)或等離子體方法去除表面不平整。

機械拋光：通過物理摩擦來平滑表面。

這些后處理步驟是必要的，以確保材料在光學(xué)應(yīng)用中具有所需的性能和表面質(zhì)量。

通用飛秒激光直寫（FsLDW）系統(tǒng)的示意配置

飛秒激光微孔加工是一個復(fù)雜的過程，近十幾年來，對于加工工藝中激光脈沖參數(shù)的影響進行了大量的研究。影響因素包括但不限于激光脈寬、脈沖通量、偏振方向、激光波長、脈沖個數(shù)、聚焦狀態(tài)以及重復(fù)頻率。這些參數(shù)在空域和時域兩個方面對加工過程產(chǎn)生影響：

1）空域分布方面：

脈沖通量、激光波長、聚焦物鏡、偏振方向、材料特性等決定了激光焦點達到閾值的區(qū)域。這些因素直接影響微孔的直徑、深度和錐度。

高斯光束的飛秒激光燒蝕材料時，燒蝕面積取決于達到燒蝕閾值的面積。假設(shè)材料的燒蝕閾值一定，達到閾值通量的面積與脈沖通量的對數(shù)呈線性關(guān)系，這意味著微孔入口直徑與脈沖通量直接相關(guān)。

緊聚焦物鏡適用于加工較小的孔（例如直徑小于10μm的孔和納米孔），以減小入口。

**松聚焦的物鏡（通常是長焦距物鏡）**則適用于加工高深徑比的微孔，盡管入口可能增大，但加工深度會顯著增加。

(a)材料加工時空聚焦示意圖。這些圖像是通過 FsLDW 在熔融石英中制造的微流體通道的橫截面光學(xué)顯微照片，其中 (b) 傳統(tǒng)聚焦（XZ 或 YZ 平面）；(c) 時空聚焦（XZ 平面）和 (d) 時空聚焦（YZ 平面）[76]（經(jīng) OSA 許可轉(zhuǎn)載。2010 美國光學(xué)學(xué)會）。(b–d) 中的比例尺代表 50 μm。

激光焦點相對材料的位置也會影響微孔加工的最終形態(tài)。

2）時域分布方面：

脈寬是影響微孔加工的重要因素。當(dāng)激光能量被壓縮到飛秒級的時間尺度時，產(chǎn)生了超高的功率密度，這種條件下的加工機理與長脈沖激光加工大不相同，能夠突破衍射極限，實現(xiàn)亞微米孔結(jié)構(gòu)的加工。

精確控制這些參數(shù)對于優(yōu)化微孔加工的質(zhì)量、效率和應(yīng)用范圍至關(guān)重要。

加工示意圖;（b）FIB和SEM相結(jié)合的測試系統(tǒng)示意圖;（c）納米孔結(jié)構(gòu)截面SEM圖

提高大深徑比、高精度和高效加工已成為當(dāng)前的趨勢，將激光進行時域整形已成為研究的熱點。在脆性材料中，通過產(chǎn)生脈沖序列，前序脈沖可以提高材料的塑性，后續(xù)脈沖通過一定的延遲可以更有效地對材料進行加工，從而提高了加工的深徑比。

（a）脈沖序列和（b）非脈沖序列下微孔加工結(jié)果光學(xué)圖像

激光能量對加工效果的影響

激光能量對微加工效果的影響是多方面的，主要包括以下幾個方面：

加工深度和去除率：

激光能量越高，材料的去除率通常越大，單個脈沖可以去除更多的材料，從而增加加工深度。特別是在飛秒激光加工中，超高能量密度可以實現(xiàn)極高的去除率。

熱影響區(qū)（HAZ）：

能量過高可能導(dǎo)致熱影響區(qū)的擴大，盡管飛秒激光的脈寬極短，熱影響通常較小，但如果能量過高，仍然可能引起材料的局部過熱，影響加工質(zhì)量。

材料變化：

高能量可以改變材料的物理和化學(xué)特性，如晶體結(jié)構(gòu)、相變、蒸發(fā)等。適當(dāng)?shù)哪芰靠梢钥刂七@些變化以達到所需的加工結(jié)果，而能量過高可能導(dǎo)致不可控的材料損傷或變形。

加工精度：

能量的精確控制是實現(xiàn)高精度加工的關(guān)鍵。過高的能量可能導(dǎo)致材料燒蝕不均勻，影響微結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀精度。

表面質(zhì)量：

激光能量影響燒蝕表面的粗糙度。低能量可能不足以有效去除材料，導(dǎo)致表面不平滑；而高能量則可能造成熔化、重鑄層增加，降低表面光潔度。

非線性效應(yīng)：

在超短脈沖激光加工中，如飛秒激光，由于高能量密度，可能會觸發(fā)多光子吸收、克爾效應(yīng)等非線性現(xiàn)象，這些效應(yīng)會影響激光的聚焦和傳播特性，進而影響加工效果。

加工效率：

能量的選擇直接影響加工的速度和效率。在保持加工質(zhì)量的前提下，適當(dāng)提升激光能量可以提高生產(chǎn)效率。

材料特性：

不同材料對激光能量的響應(yīng)不同。一些材料可能需要更高的能量來達到相同的加工效果，而另一些則對能量敏感，需要精細控制。

(a-c) 脈沖能量 Ep = 300 nJ 時，不同 θ 值（激光束偏振方向與寫入方向之間的角度）沿寫入方向形成的長程周期性納米結(jié)構(gòu)的俯視 SEM 圖像；(d) Ep = 900 nJ。在 0.5% HF 水溶液中蝕刻 20 分鐘后，結(jié)構(gòu)顯露出來 [83]（經(jīng) OSA 許可復(fù)制。2005，美國光學(xué)學(xué)會）。

激光能量的選擇需要根據(jù)具體的加工需求、材料特性、以及所期望的加工結(jié)果來決定。優(yōu)化激光能量不僅能提高加工精度和效率，還能減少對材料的負面影響，如熱損傷和表面粗糙度。

飛秒激光金屬材料微孔加工工藝

金屬材料微孔加工工藝將激光與材料的相對運動方式分為四類：單脈沖加工。叩擊式加工。環(huán)切加工。螺旋鉆孔。這些不同的加工方式在具體應(yīng)用中各有其優(yōu)缺點和適用場景。

單脈沖加工：通過工藝保證一個脈沖與材料作用后，直接形成所需的微孔。這種方法稱為單脈沖加工。

通過工藝保證一個脈沖與材料作用后，直接形成所需的微孔，這種方法被稱為單脈沖加工。單脈沖加工的效率極高，每秒可以形成上千個孔。工業(yè)中常使用單脈沖“飛行模式”打孔，即在脈沖激光與材料有一定相對運動速度的情況下，每個脈沖可以形成一個孔，沿掃描方向形成一系列孔結(jié)構(gòu)。但是，由于單個脈沖去除量有限，這種方法適合加工較薄的材料或深度較小的盲孔。

在電介質(zhì)材料中，單個脈沖的燒蝕深度會隨著通量密度的增加而增加，最終形成平底狀的彈坑結(jié)構(gòu)。但由于反射率的增加，燒蝕深度會達到一個極限不再繼續(xù)增加。因此，要達到所需的深度，需要多個脈沖的連續(xù)作用，使得微孔深度逐步增加，這種方法被稱為叩擊式加工。在叩擊式微孔加工中，激光可以沿孔壁多次反射，類似于光波導(dǎo)的方式傳遞到微孔底部，從而后續(xù)的脈沖可以進一步增加燒蝕深度。

不同脈沖個數(shù)的激光（150fs，800nm，3．0J／cm2）對聚碳酸酯材料微孔加工的SEM圖。（a）1；（b）5；（c）100

飛秒激光加工因其熱影響區(qū)小和加工質(zhì)量高而備受關(guān)注。將激光線切割與微孔加工結(jié)合起來，便形成了環(huán)切加工。這種方法能夠生產(chǎn)出高質(zhì)量的環(huán)切微孔結(jié)構(gòu)，其重復(fù)性和一致性都非常高。此外，螺旋鉆孔的加工方式是在環(huán)切的基礎(chǔ)上增加了深度方向的運動，適合加工直徑較大的深孔。這種方法不僅提高了加工的精度，還能有效控制孔的深度和形狀。

硅材料上環(huán)切微孔加工

飛秒激光微孔加工是一個涉及多因素、非平衡的復(fù)雜過程，加工環(huán)境是其中一個不可忽視的關(guān)鍵影響因素。研究表明，真空、氣體和液體等環(huán)境對微孔加工有著顯著的影響。

由于飛秒激光具有超短脈寬和超高功率密度的特點，聚焦后的飛秒激光很容易達到空氣的電離閾值（大約10^14W/cm^2），其強電場還會引起克爾效應(yīng)，導(dǎo)致激光自聚焦現(xiàn)象。在空氣中進行加工時，高功率密度超過電離閾值會電離空氣產(chǎn)生大量自由電子，當(dāng)自由電子密度大于10^18cm^-3時，形成空氣電離等離子體。這些等離子體會導(dǎo)致激光散焦，與克爾效應(yīng)引起的自聚焦相互平衡，形成光絲現(xiàn)象。然而，這種光絲狀態(tài)的激光光束在傳播過程中并不穩(wěn)定，經(jīng)過一定距離后會發(fā)生發(fā)散。因此，在深孔加工中可能會出現(xiàn)孔型彎曲和燒蝕飽和現(xiàn)象，影響孔的錐度、入口和出口直徑的大小。

空氣環(huán)境和（b）真空環(huán)境下相同激光能量時，重復(fù)頻率對出入口直徑的影響；不銹鋼材料上空氣環(huán)境加工直徑100μm高品質(zhì)微孔的（c）SEM圖和（d）孔型復(fù)制結(jié)構(gòu)

在加工質(zhì)量方面，飛秒激光在金屬上打孔時，真空環(huán)境中制得的孔結(jié)構(gòu)顯得更加銳利清晰，而在空氣中形成的結(jié)構(gòu)則相對平滑。此外，研究表明，在真空環(huán)境下，碎屑更容易排出，因此材料的重鑄層較小，孔的入口保持干凈。在空氣環(huán)境中，碎屑可能堆積在孔的入口周圍，導(dǎo)致入口處不平整或質(zhì)量下降。

銅材料微孔入口SEM圖。（a）空氣環(huán)境；（b）真空環(huán)境

在空氣環(huán)境中加工時，出口直徑隨著激光重復(fù)頻率的增加而增大。這是由于隨著頻率的增加，金屬碎屑和顆粒不能充分噴出，這些碎屑降低了空氣電離的閾值，進而產(chǎn)生更多的空氣電離等離子體，造成光絲現(xiàn)象。殘留在孔內(nèi)的碎屑和等離子體對孔壁產(chǎn)生二次作用，加上激光的擾動和發(fā)散，導(dǎo)致出口直徑增加。相反，入口直徑隨著重復(fù)頻率的增加而減小，直到與真空條件下的大小相近。這是由于金屬材料和空氣被快速加熱，氣體密度降低，在入口處創(chuàng)造出準真空環(huán)境，從而提高了入口質(zhì)量并減小了錐度。

在空氣環(huán)境下，能夠加工出高品質(zhì)的微孔，特別是在直徑和錐度的控制方面，展示了飛秒激光在工業(yè)微孔加工中的應(yīng)用前景。

在飛秒激光微孔加工時，為了避免空氣電離帶來的負面影響，除了使用真空環(huán)境之外，還可以采用在加工材料表面覆蓋一定厚度液體的輔助方法。液體可以有效地帶走加工產(chǎn)生的碎屑，從而提高加工質(zhì)量。在相同能量下，輔助水膜的厚度越小，加工效率就越高。通過使用揮發(fā)性液體，可以獲得更薄的液膜，進一步增強水膜的輔助效果。然而，液體輔助微孔加工方法中仍然存在一些未解決的問題，如激光能量被水吸收而損失，液體和氣泡對激光光束的散射等。

使用 10 M (35.8%) KOH 水溶液 (20 mL) 和 2.0% HF 水溶液 (20 mL) 拍攝的石英玻璃基板 (9.2 mm × 10 mm × 0.5 mm) 蝕刻輪廓的反射光學(xué)顯微照片。左側(cè)的光學(xué)顯微照片顯示了在 80 °C 的 KOH 中浸泡 60 小時后制作的通道，然后使用飛秒脈沖序列（間隔：0.1 μm）通過 40× 物鏡（NA：0.65）在表面以下 10 μm 處進行照射在(a) 500的不同激光功率下；(b) 400；(c) 300；(d) 200；(e) 100 nJ/脈沖。右上角的光學(xué)顯微照片顯示了環(huán)境溫度下 HF 水溶液中通道形成的時間演變（顯示通道的兩端）。通過40×物鏡(NA：0.65)以360nJ/脈沖的激光功率照射樣本，并將樣本浸入溶液中(f)24；(g) 48；(h) 72 小時。右下角的 FE-SEM 圖像顯示了 (a) 中所示位置最左側(cè)通道的橫截面。在(i)和(k)中；通道是開放的，而 (j) 中；該通道仍然充滿沉淀物 [85]（經(jīng) ACS 許可轉(zhuǎn)載。2009 美國化學(xué)會）。

超短脈沖激光微孔加工的應(yīng)用前景

激光微納制造是制造技術(shù)的前沿和一個重要的發(fā)展方向，為我國的航空航天、能源、國防、汽車、生物、醫(yī)療等多個領(lǐng)域提供了重要的制造技術(shù)支持。激光微孔制造是突破這些領(lǐng)域中許多核心部件制造技術(shù)瓶頸的理想方法。例如：

航空航天燃氣渦輪葉片上的氣膜微孔：用于冷卻渦輪葉片，提高其性能和壽命。

慣性約束聚變（ICF）點火工程中的點火靶充氣微孔：精確控制氣體填充，確保聚變反應(yīng)的成功。

高靈敏度傳感器微孔結(jié)構(gòu)：在傳感技術(shù)中，微孔結(jié)構(gòu)可以增強傳感器的響應(yīng)性和精度。

發(fā)動機噴油嘴微孔：控制燃油噴射，優(yōu)化燃燒效率，減少排放。

（a），（b）燃氣輪機葉片氣模微孔；（c）光纖布拉格光柵傳感器微孔；（d）用于慣性約束聚變的靶球微孔；（e）發(fā)動機噴油嘴微孔；（f）馬赫曾德爾干涉儀傳感器微孔

這些應(yīng)用顯示了超短脈沖激光在微孔加工中的廣闊前景，進一步推動了其在高精度、高效率制造中的應(yīng)用。

微孔加工在航空燃氣渦輪葉片上的應(yīng)用前景

在航空航天領(lǐng)域，燃氣渦輪是航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響發(fā)動機的整體表現(xiàn)。航空發(fā)動機渦輪葉片的工作溫度至少達到1400℃，因此必須采用有效的冷卻技術(shù)來保護葉片。冷卻通常通過在葉片上打大量的不同直徑的氣膜孔來實現(xiàn)，這些孔徑一般在100～700μm之間。像SGT5-8000H燃氣輪機葉片，其氣膜孔的空間分布復(fù)雜，定位精度要求高，孔的角度變化大（15°～90°），為了提高冷卻效率，孔的形狀可能是扇形或矩形，這大大增加了制造的難度。

目前，渦輪葉片打孔的主流方法是高速電火花，但這種方法有諸多限制：

工具電極制作困難且易損耗。加工材料必須是導(dǎo)電的。加工速度較慢，控制系統(tǒng)復(fù)雜。排屑困難，不易散熱，容易產(chǎn)生微裂紋和較厚的重鑄層，不適合大批量生產(chǎn)。

此外，現(xiàn)代葉片通常需要覆蓋一層熱障涂層（如氧化鋯或陶瓷材料），傳統(tǒng)的電火花方法難以加工這樣的微孔，這對高性能葉片制造提出了全球性挑戰(zhàn)。隨著未來渦輪葉片可能更多使用非金屬材料，電火花加工將不再適用。相比之下，飛秒激光鉆孔具有以下優(yōu)點：

材料適應(yīng)性廣泛。非接觸加工，不產(chǎn)生機械應(yīng)變。無大面積熱應(yīng)變，定位精度高。適合加工復(fù)雜孔型和高精度群孔。極小化重鑄層和微裂紋。

因此，飛秒激光是當(dāng)前最有效的加工技術(shù)，也是未來渦輪葉片制孔的首選技術(shù)。

在新能源領(lǐng)域，聚變核能是人類追求的清潔能源之一，而點火靶充氣微孔的制造是其中關(guān)鍵的一環(huán)。微靶材料如銅鈹合金（或玻璃、陶瓷、聚苯乙烯塑料）需要在其上加工出非常小的孔（直徑從數(shù)微米到十幾微米），對孔的尺寸、圓度、錐度、深徑比、位置精度、重鑄層厚度、殘留物和表面粗糙度要求極高。傳統(tǒng)的微孔加工技術(shù)如電火花、聚焦離子束、掃描探針等在這些高要求下不適用。飛秒激光以其高精度和可控性，成為這種微結(jié)構(gòu)加工的理想工具。

在工業(yè)應(yīng)用中，汽車發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展依賴于供油系統(tǒng)的改進，其中噴油嘴的微孔加工質(zhì)量直接影響燃油效率。從前的電火花加工已經(jīng)被納秒激光取代，而隨著激光器成本的降低，皮秒激光開始在工業(yè)中取代納秒激光。飛秒激光以其高精度和高質(zhì)量的加工能力，也在微器件制造中大顯身手，如在光纖上加工微孔，制造高靈敏度傳感器（如布拉格光柵傳感器和馬赫-曾德爾干涉儀傳感器）。

通常情況下，微孔結(jié)構(gòu)的尺寸在滿足功能需求的前提下盡可能減小，以增強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。隨著新設(shè)備和新結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，制造水平的提升，微孔的尺寸需求從微米級別縮小到亞微米甚至納米級別。如何加工出高深徑比的微納米孔已成為近年來的研究熱點。同時，微孔的品質(zhì)要求也在提升，包括形狀、圓度、錐度、深徑比、位置精度、加工區(qū)重鑄層厚度、微裂紋以及內(nèi)外表面粗糙度等。然而，在實際應(yīng)用中，不同尺度下的微孔加工很難同時兼顧精度和效率，這在一定程度上制約了飛秒激光微孔加工的發(fā)展。

飛秒激光在工業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展歷程

1996年，Chichkov等人對鋼、硅、銅的薄層材料進行了不同脈寬的對比實驗。他們發(fā)現(xiàn)，飛秒激光加工的微孔入口質(zhì)量非常高，而長脈沖激光加工則以熱擴散為主導(dǎo)，表現(xiàn)出明顯的熔化和重鑄現(xiàn)象。這一對比結(jié)果引起了廣泛的關(guān)注，并進一步推動了飛秒激光在微加工領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。

2006年，ExtrudeHoneLaserTechnologies（賓夕法尼亞州歐文）和通用原子公司（加利福尼亞州圣地亞哥）使用二極管泵浦固態(tài)(DPSS)納秒激光器為國防部生產(chǎn)了基于激光的柴油噴嘴鉆孔系統(tǒng)。此應(yīng)用的綠色光譜（532nm）。

到2012年，飛秒激光器開始用于矯正視力應(yīng)用，但這些激光器在辦公室環(huán)境中每天使用幾次，而不是在工廠24/7全天候使用。

2012年7月，美國能源部(DOE)向一個公司聯(lián)盟撥款370萬美元，用于開發(fā)新興的超快脈沖（UFP；也稱為超快）激光技術(shù)，以構(gòu)建下一代汽車燃油噴射器制造工藝。

當(dāng)時，脈沖寬度為飛秒范圍的UFP激光器更多地用于科學(xué)實驗而不是工業(yè)用途。1987年，BillClark博士率先將UFP激光器商業(yè)化，產(chǎn)品面向科學(xué)儀器市場。他的公司Clark-MXR（密歇根州德克斯特）繼續(xù)開發(fā)出第一臺可在工業(yè)環(huán)境中運行的用于微加工的飛秒激光器。

飛秒是秒脈沖光的萬億分之一，其速度比零件吸收熱量的速度還要快，被稱之為無熱加工，也稱為無熱燒蝕，能夠以極快的速度去除微小的材料斑點，而不會造成熱損壞，從而使新的GDI噴孔設(shè)計成為可能。

光速加工不僅有望使噴油器設(shè)計能夠經(jīng)濟高效地加工，還希望該工藝能夠消除精密制造過程中最昂貴和最耗時的挑戰(zhàn)之一——后處理以去除缺陷。

美國能源部寫道：“能源效率預(yù)計將提高20-25%，周期時間可能會大幅縮短。”“不需要消耗品，這降低了與生產(chǎn)相關(guān)的材料成本和能源。此外，該過程將消除后期生產(chǎn)及其相關(guān)化學(xué)品的使用。這項技術(shù)可能會對不同的制造行業(yè)產(chǎn)生廣泛的影響?！?/p>

當(dāng)時用于噴油器加工的傳統(tǒng)技術(shù)是放電加工(EDM)，其工作原理是在放電路徑中腐蝕材料，從而在電極和工具之間形成電弧?，F(xiàn)有的制造工藝，即機電放電加工，速度慢、成本高，并且需要使用多種化學(xué)品來鉆孔，并去除因工藝過程中產(chǎn)生的熱量而產(chǎn)生的熔化、毛刺和重鑄缺陷。

美國能源部表示：“傳統(tǒng)加工平臺不太適合生產(chǎn)精度要求高的小零件?！薄爱?dāng)前的加工方法通常太大、太不靈活，并且缺乏制造具有復(fù)雜形狀或微米尺寸特征的零件所需的精度。

GDI噴嘴的直徑約為200μm，大約與人的頭發(fā)直徑相同。邊緣質(zhì)量、表面質(zhì)量、圓度和錐度等尺寸如果控制得當(dāng)，可以用更少的燃料提供更多的燃燒。

汽車制造商面臨的另一個挑戰(zhàn)是在制造過程中控制零件的能力。激光的精確度取決于所使用的運動控制系統(tǒng)，創(chuàng)造出具有微米級精度的可靠、可重復(fù)的機器代表了一個重要的里程碑。美國能源部表示：“將激光與高精度機械手相結(jié)合將實現(xiàn)自動化，從而加快加工過程?！?/p>

由美國能源部贊助的為燃油噴射器創(chuàng)建新制造工藝的公司包括Microlution，該公司構(gòu)建了一個帶有集成UFP激光器的微加工工作站。工作站的任務(wù)是非常精確地控制控制部件的運動（以確保微觀精度）。此外，該系統(tǒng)將完全集成三項關(guān)鍵技術(shù)的控制：1)機器運動，2)UFP激光器，3)先進的5D掃描儀。該平臺不僅需要控制毛坯燃油噴射器部件，還需要確保穩(wěn)定性，不會干擾生產(chǎn)制造環(huán)境中歷史上非常脆弱的激光束。熱穩(wěn)定性和慣性穩(wěn)定性是在幾天、幾個月和幾年內(nèi)實現(xiàn)高工藝能力指數(shù)(CPk)生產(chǎn)標準的重要關(guān)鍵。

2015年，能源部發(fā)布了該項目的報告，指出該團隊“已成功采用該技術(shù)來制造GDI噴射器”。美國能源部報告了以下計劃目標：開發(fā)出滿足目標轉(zhuǎn)速超過200Hz、攻角80%以上的一體化激光和掃描頭（已完成）；與現(xiàn)有微加工工藝（已完成）相比，在<8中演示了噴油器噴射孔的鉆孔，機器時間總體周期時間減少了50%，且質(zhì)量沒有下降；與標準微加工工藝相比，激光加工效率提高了20-25%（已完成）；和生產(chǎn)的燃油噴射器通過了冷啟動發(fā)動機測試，并將技術(shù)推向生產(chǎn)環(huán)境（2014年完成并被汽車制造商采用）。?? ?

美國能源部表示：“因此，該項目的完成最終將帶來一種制造方法，為多個市場的難加工材料提供減少的工藝步驟和能源消耗?！薄癕icrolution將專注于與電子和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)相關(guān)的平臺開發(fā)應(yīng)用?！?/p>

在工業(yè)激光器中，皮秒激光器、飛秒激光器以及在科學(xué)研究中備受矚目的阿秒激光器，都屬于超快激光的范疇。那些脈寬介于幾十皮秒到1納秒之間的激光器，業(yè)內(nèi)人士不會稱之為超快激光，而是稱為亞納秒激光器。

進一步分類，超快激光器根據(jù)其波長的不同，可以細分為紅外皮秒激光、綠光皮秒激光、紫外皮秒激光等。

激光在先進制造領(lǐng)域的應(yīng)用

干法刻蝕是半導(dǎo)體工藝中圖案轉(zhuǎn)移的重要手段，通過刻蝕氣體與材料的物理或化學(xué)反應(yīng)來去除不需要的材料。以下是幾種常見的干法刻蝕類型：

離子束刻蝕（IBE）：利用離子束直接物理撞擊材料表面進行刻蝕。

反應(yīng)離子刻蝕（RIE）：結(jié)合了物理濺射和化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)點，通常用于精細圖案的刻蝕。

電感耦合等離子體（ICP）刻蝕：通過電感耦合產(chǎn)生的高密度等離子體進行刻蝕，適用于需要高各向異性刻蝕的情況。

對于硬脆材料的干法刻蝕方法，這里提供了一張總結(jié)表（雖然沒有直接引用圖表，但可以想象如下內(nèi)容通常會包括：

刻蝕類型	適用材料	優(yōu)點	缺點
IBE	硬質(zhì)金屬	高各向異性	低選擇性
RIE	硅、氧化物	選擇性好	可能產(chǎn)生微粒
ICP	各種硬質(zhì)材料	高速率、高均勻性	設(shè)備復(fù)雜

飛秒激光加工與干法刻蝕

飛秒激光加工可以制造任意圖案的掩膜。將這些圖案通過干法刻蝕轉(zhuǎn)移到基底材料上，可以實現(xiàn)高精度結(jié)構(gòu)的制造。以下是一個應(yīng)用實例：

通過特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計，干法刻蝕可以制造出復(fù)雜的真三維結(jié)構(gòu)。例如，研究人員使用一種角度刻蝕方法在ICP系統(tǒng)中，成功制備了高質(zhì)量的金剛石三維結(jié)構(gòu)。這種方法通過精確控制刻蝕參數(shù)，實現(xiàn)了對金剛石這種硬脆材料的高精度加工，展示了干法刻蝕在復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造中的潛力。

這種結(jié)合飛秒激光與干法刻蝕的技術(shù)，為微納制造提供了強大的工具，適用于需要高精度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場景。

飛秒激光加工因其高精度和靈活性，可以制造出任意復(fù)雜圖案的掩膜。這些掩膜在經(jīng)過干法刻蝕后，能夠?qū)D案精確地轉(zhuǎn)移到基底材料上，從而實現(xiàn)高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)制備。

通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計，干法刻蝕技術(shù)能夠制造出復(fù)雜的真三維結(jié)構(gòu)。例如，研究人員開發(fā)了一種角度刻蝕方法，并將其應(yīng)用于電感耦合等離子體（ICP）系統(tǒng)中。這種方法允許在硬質(zhì)材料如金剛石上進行精確的三維結(jié)構(gòu)加工，制備出高質(zhì)量的金剛石三維結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的制造不僅依賴于刻蝕過程的控制，還涉及到對激光加工的精細調(diào)控，以確保掩膜圖案的精確性和刻蝕的均勻性。

(a) Foturan 或熔融石英玻璃微流體結(jié)構(gòu)的制造程序示意圖；(b) 多孔玻璃中的微米或納米流體結(jié)構(gòu)；(c) 玻璃上的微電子結(jié)構(gòu)；(d) 通過雙光子聚合 (TPP) 在玻璃基板上形成 3D 聚合物微米和納米結(jié)構(gòu)。

利用了雙光子聚合技術(shù)在藍寶石表面制造聚合物微/納米結(jié)構(gòu)。隨后，通過干法刻蝕將這些聚合物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到藍寶石基底上。這種方法不僅實現(xiàn)了在藍寶石非平面上的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造，還確保了這些結(jié)構(gòu)具有超平滑的表面。

由于干法刻蝕在圖形轉(zhuǎn)寫方面的極高保真性，結(jié)合飛秒激光加工技術(shù)，這種聯(lián)合方法在硬脆材料的微/納米結(jié)構(gòu)制備上顯示出巨大的應(yīng)用潛力。這種技術(shù)可以用于制造高精度的光學(xué)元件、微流控裝置、傳感器等，在光電子、生物醫(yī)學(xué)和高精度制造領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。這種結(jié)合了飛秒激光和干法刻蝕的工藝，為材料科學(xué)和微納加工領(lǐng)域開辟了新的可能性，特別是在需要高精度、復(fù)雜幾何形狀的應(yīng)用中，如光子學(xué)設(shè)備、微電子器件和生物醫(yī)學(xué)傳感器等。

(a) 大塊玻璃內(nèi)僅包含振蕩器的飛秒激光微加工波導(dǎo)的光學(xué)顯微照片。插圖顯示了波導(dǎo)的一個端面 [80]（經(jīng) OSA 許可轉(zhuǎn)載。2001 美國光學(xué)學(xué)會）；(b) 使用 FsLDW 在玻璃中制造的球狀光學(xué)微腔的 SEM 圖像 [104]（經(jīng) OSA 許可復(fù)制。2013，美國光學(xué)學(xué)會）；(c) 通過飛秒激光微加工結(jié)合化學(xué)蝕刻由單塊熔融石英制成的微執(zhí)行器的 SEM 圖像 [105]（經(jīng) AIP 許可轉(zhuǎn)載。2012，美國物理研究所）；(d) 通過飛秒激光誘導(dǎo)化學(xué)鍍生產(chǎn)的玻璃基板上的圖案化銀微電路的 SEM 圖像 [106]（經(jīng) Wiley 許可復(fù)制。2010 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA，Weinheim）。

分別使用 FsLDW 在多孔玻璃中制造 3D 被動微流體混合器，在熔融石英中制造 3D 流體動力學(xué)網(wǎng)絡(luò)。(a) 微流體混合器的光學(xué)顯微照片；(b) 兩個混合單元的示意圖；(c) 兩個混合單元的俯視光學(xué)顯微照片。(d) 1D 和 (e) 3D 微流體混合實驗的熒光顯微鏡圖像（經(jīng) RSC 許可復(fù)制。2012 英國皇家化學(xué)學(xué)會）；(f) 3D水動力聚焦網(wǎng)絡(luò)示意圖[95]；(g) 所制造器件的頂視圖和 (i) 側(cè)視圖光學(xué)顯微照片；(h) 俯視圖和 (j) 側(cè)視光學(xué)顯微照片，顯示樣品/鞘壓力比為 0.55 時實現(xiàn)的水平和垂直方向的流動限制。(g–j) 中的比例尺代表 100 μm [120]。（經(jīng) RSC 許可轉(zhuǎn)載。2014 英國皇家化學(xué)學(xué)會）。

(a) 連接到外部電源的 3D 微流體結(jié)構(gòu)中形成的電氣布線電路的示意圖；(b) 使用 FsLDW 在 Foturan 玻璃芯片中制造的電流體裝置的照片（由Jian Xu 提供）；(c)化學(xué)鍍銅后350μm高側(cè)壁上金屬結(jié)構(gòu)的45°傾斜SEM圖像；(d) 熔敷金屬微觀結(jié)構(gòu)的 SEM 圖像。插圖顯示了更高放大倍率的圖像。在施加電場之前，微流體通道中眼蟲細胞的電定向（e）；(f) 當(dāng)施加電場（~20 Vp-p，0.9 MHz）時和 (g) 當(dāng)電場關(guān)閉時。所有圖像中的電極間距均為 500 μm [99]（經(jīng) RSC 許可復(fù)制。 2013 英國皇家化學(xué)學(xué)會）。

(a) 微流體通道內(nèi)銀SERS基底的制造過程示意圖；(b) 可見光（514.5 nm）激發(fā)下目標分子檢測的應(yīng)用；(ce) 集成到微流體通道中的銀 SERS 基底的 SEM 圖像；(f) 在插圖 [137] 光學(xué)顯微照片所示位置測量的對氨基苯硫酚 (p-ATP) 拉曼光譜（經(jīng) RSC 許可復(fù)制。 2011 英國皇家化學(xué)學(xué)會）。

(a) 為藻類的快速篩選、實時監(jiān)測和初步分類而設(shè)計的生物傳感器的示意圖；(b) 現(xiàn)場采集樣品中碎屑（其他藻類、植物物質(zhì)）中實驗室培養(yǎng)的藍藻（綠色球體/橢圓形）的顯微照片。比例尺代表 100 μm [139]（經(jīng) RSC 許可復(fù)制。 2012 英國皇家化學(xué)學(xué)會）。使用（c）透射率和（d）熒光發(fā)射進行細胞檢測的示意圖；(e) 紅細胞 (RBC) 穿過微通道，在流動中形成一條直線 [122]（經(jīng) RSC 許可復(fù)制。 2009 英國皇家化學(xué)學(xué)會）；(f) 用于 DNA 分析的 3D 納米流體裝置示意圖；(g) 多孔玻璃中制造的納米通道的橫截面 SEM 顯微照片 (h) 顯示寬度為 50 nm 的納米通道陣列中 λ-DNA 拉伸的熒光圖像 [96]（經(jīng) RSC 許可復(fù)制。 2013 英國皇家學(xué)會化學(xué)）。

分別使用 FsLDW 進行波導(dǎo)-微流體集成和微光-流體集成。(a) 用于將光波導(dǎo)添加到用于毛細管電泳的芯片實驗室裝置的FsLDW方法的示意圖；(b) 光波導(dǎo)在微通道中激發(fā)的熒光信號的光學(xué)顯微照片。對應(yīng)于 (c) 10 nM 和 (d) 1 nM 染料標記寡核苷酸的電泳圖，由片上檢測系統(tǒng)在分離通道末端測量[125]（經(jīng) RSC 許可復(fù)制。2009 英國皇家化學(xué)會）；(e) 將光纖錐度 CO2 激光焊接到 FsLDW 制造的微諧振器上的示意圖；(f) 焊接到側(cè)壁的光纖錐度的側(cè)視光學(xué)顯微照片。即使在彎曲時，光纖仍粘附在微環(huán)形線圈上。請注意，微環(huán)形線圈是在兩個開放通道的交叉點處制造的；(g) 焊接到微環(huán)側(cè)壁的光纖錐體的特寫 SEM 圖像；(h) 不同鹽濃度下約 1557 nm 處的光學(xué)吸收帶 [128]（經(jīng) OSA 許可復(fù)制。2014 美國光學(xué)學(xué)會）。

分別由 FsLDW 制造的基于微流體和表面增強拉曼散射 (SERS) 的光纖傳感器。(a–c) 在單模光纖中制造的微流體通道和 (d–g) 在多模光纖尖端上制備的 SERS 探針，用于傳感應(yīng)用。光纖內(nèi)微通道的 (a) 俯視圖和 (b) 橫截面圖的光學(xué)顯微照片；(c) 通過微流控光纖裝置傳輸?shù)牟煌⑼ǖ勒凵渎实臍w一化光功率[143]（經(jīng) OSA 許可復(fù)制。2006，美國光學(xué)學(xué)會）；(d) 飛秒激光燒蝕光纖端面的 SEM 圖像。插圖顯示了涂覆在結(jié)構(gòu)化表面上的銀納米粒子的 SEM 圖像。使用1米長光纖SERS探針獲得不同濃度R6G溶液的拉曼光譜：(e) 10?6 M；(f) 10?7 M（為方便查看而乘以5）；(g) 10?8 M（為了便于查看，乘以 10）。插圖顯示了 1511 cm?1 處的 SERS 強度對 R6G 濃度的依賴關(guān)系 [103]（經(jīng) OSA 許可轉(zhuǎn)載。2009 美國光學(xué)學(xué)會）。

(a)傾斜微光柵的SEM圖像；(b) 微透鏡；(c) 使用 FsLDW 在光纖尖端上通過光聚合形成微棱鏡 [101]（經(jīng) IOP 許可復(fù)制。2012，物理研究所）。

飛秒激光玻璃微加工已成為生產(chǎn)微流體傳感器的強大技術(shù)。特別是，它允許將不同的組件合并到單片芯片中，以創(chuàng)建新的令人興奮的功能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方法基于超短持續(xù)時間的獨特MPA工藝，具有消除熱擴散、內(nèi)部處理、亞衍射極限分辨率和多功能集成能力的優(yōu)點。它已成功用于制造各種集成微流控傳感器，例如復(fù)雜的 3D 微流控和納米流控網(wǎng)絡(luò)、電流體和光流控傳感器、SERS 芯片和 LOF 器件。

為了滿足低損耗光學(xué)和平滑流體應(yīng)用的要求，需要改進的方法來平滑多孔玻璃基板中制造的器件的內(nèi)表面?，F(xiàn)有的退火、氧/氫火焰拋光、CO 2激光回流等方法已經(jīng)能夠制造光學(xué)透鏡和微諧振器的光滑表面以及較大直徑（即直徑數(shù)十微米）的微流體通道的光滑內(nèi)壁。當(dāng)微流體結(jié)構(gòu)尺寸減小時，它們的效率會變得越來越低。此外，盡管多孔玻璃的橫向特征尺寸已達到λ/20，但在玻璃基板中創(chuàng)建全納米級尺寸的納米流體通道仍然具有挑戰(zhàn)性。使用 FsLDW 的選擇性金屬化預(yù)計將應(yīng)用于各種傳感應(yīng)用，例如電流體、SERS 傳感器和等離子體。然而，盡管側(cè)壁金屬化已被成功證明，但在封閉微流體通道中制造 3D 獨立式金屬結(jié)構(gòu)尚未成功。

面對這些挑戰(zhàn)，必須尋找新的制造思路和方法，推動飛秒激光在微孔加工中的應(yīng)用，以支持極端制造工藝的發(fā)展。例如：

通過雙光子吸收突破衍射極限：可以形成亞微米尺度的孔。

通過微光絲作用在電介質(zhì)上：制造高深徑比的亞微米孔結(jié)構(gòu)，進一步縮小制造尺度極限。

通過脈沖序列技術(shù)，可以實現(xiàn)對電子狀態(tài)的調(diào)控，控制光子的吸收、電子激發(fā)和自由電子密度的分布，延長能量吸收時間，避免電子過熱，同時瞬間改變材料的局部特性，從而大幅提高微納加工的精度、效率和可重復(fù)性?？刂萍庸ぶ械南嘧儥C理，抑制融化和重鑄，成為提高微孔加工質(zhì)量的研究熱點，也是一項新的理論和實驗挑戰(zhàn)。

飛秒激光微孔加工多種工藝的共同發(fā)展

直接微孔加工：在材料表面使用飛秒激光直接加工微孔。飛秒激光的非線性吸收特性也使其適用于在透明材料內(nèi)部制造三維微孔結(jié)構(gòu)。

液體輔助加工：通過在透明介質(zhì)的后表面直接燒蝕來制造微孔，液體可以清除加工產(chǎn)生的碎屑，且激光在傳播過程中不受微孔或等離子體的影響，形成錐度極小的深孔。超聲輔助和光束整形等方法可以進一步優(yōu)化加工效果。

飛秒激光輔助濕法刻蝕：首先用飛秒激光在透明介質(zhì)內(nèi)部進行改性處理，然后通過化學(xué)刻蝕來形成三維微結(jié)構(gòu)。由于改性區(qū)域的刻蝕速度遠高于未改性區(qū)域，可以顯著提高微孔的深徑比。合理設(shè)計掃描路徑、能量和輔助結(jié)構(gòu)，可以加工出任意長度且直徑均勻的微孔。此外，濕法刻蝕作為一種加工后處理方法，可以大大提高結(jié)構(gòu)表面的光潔度，形成高質(zhì)量的大深徑比微孔。然而，這種方法僅適用于透明材料，且需要考慮濕法刻蝕對特殊功能結(jié)構(gòu)的潛在損害。

因此，多種工藝方法的共同發(fā)展是必要的，以應(yīng)對不同需求，選擇合適且高效的加工方法，這是飛秒激光微孔加工研究的重點之一。這些應(yīng)用場景顯示了飛秒激光在微孔加工領(lǐng)域的巨大潛力和廣闊前景。

由于穩(wěn)定、可靠、高輸出功率的飛秒激光系統(tǒng)的發(fā)展，飛秒激光加工已經(jīng)應(yīng)用于汽車、電子和醫(yī)療領(lǐng)域的一些工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用。

越南激光設(shè)備市場迎來快速增長升級階級

越南的激光設(shè)備市場正處于快速增長階段，這主要得益于以下幾個關(guān)鍵驅(qū)動因素和行業(yè)趨勢：

1. 市場驅(qū)動因素

工業(yè)化和制造業(yè)增長
越南是東南亞制造業(yè)的熱點地區(qū)，吸引了大量外資。激光設(shè)備在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用（如切割、焊接、打標等）推動了市場需求。

電子和半導(dǎo)體行業(yè)的擴張
越南電子制造業(yè)（如手機、家電和半導(dǎo)體領(lǐng)域）對高精度激光加工設(shè)備的需求持續(xù)增長。

政府支持與政策傾斜
越南政府鼓勵高新技術(shù)和智能制造的發(fā)展，減免相關(guān)進口關(guān)稅和提供投資優(yōu)惠政策，吸引了眾多激光設(shè)備制造商進入市場。

汽車工業(yè)的發(fā)展
越南汽車市場近年來增長迅速，對激光切割和焊接設(shè)備的需求增加，特別是在新能源車（EV）領(lǐng)域。

2. 主要市場領(lǐng)域

金屬加工行業(yè)
激光切割設(shè)備廣泛應(yīng)用于越南的機械和建筑行業(yè)，用于金屬板材加工。

電子制造
激光打標和微加工設(shè)備是越南電子工業(yè)不可或缺的一部分，特別是在高精度的PCB生產(chǎn)中。

醫(yī)療器械和美容行業(yè)
激光技術(shù)也被用于生產(chǎn)高精度醫(yī)療設(shè)備，同時美容激光設(shè)備在越南市場需求逐漸增長。

3. 主要市場參與者

國際品牌
大型國際激光設(shè)備制造商，如 IPG Photonics、TRUMPF、Coherent、Bystronic 等，已經(jīng)進入越南市場，為高端需求客戶提供解決方案。

中國品牌
越南激光設(shè)備市場中，中國品牌如銳科激光、大族激光、華工激光等，憑借性價比高的產(chǎn)品，已占據(jù)重要市場份額。

本地供應(yīng)商
越南本地制造商和分銷商也開始涉足激光設(shè)備市場，但主要集中在中低端產(chǎn)品領(lǐng)域。

4. 面臨的挑戰(zhàn)

技術(shù)依賴
目前越南本地企業(yè)在激光技術(shù)的研發(fā)和制造上仍依賴進口。

價格競爭
中國激光設(shè)備廠商的低價競爭使得國際品牌和本地企業(yè)面臨利潤壓力。

技術(shù)人才不足
越南在高精密激光設(shè)備操作和維護方面的專業(yè)技術(shù)人才相對短缺。

5. 未來趨勢

高端化和自動化需求
隨著工業(yè)升級，越南市場對高功率、全自動化激光設(shè)備的需求將進一步增長。

本地生產(chǎn)能力增強
越南會吸引更多激光設(shè)備制造商設(shè)立本地工廠，從而降低設(shè)備成本和縮短交付時間。

行業(yè)多元化
激光技術(shù)的應(yīng)用將逐漸擴展至新能源、航天、醫(yī)療等新興領(lǐng)域。

出口潛力
越南作為東盟的重要成員國，有望成為激光設(shè)備出口的區(qū)域樞紐。