在當今高精度、高效率制造業的需求下，飛秒激光加工技術以其卓越的加工精度和非凡的適用性，迅速在各大領域中嶄露頭角。飛秒激光加工（Femtosecond Laser Machining）是一種利用超短脈沖激光進行材料加工的技術，其脈沖持續時間僅為飛秒級（1飛秒=10^-15秒），幾乎不會產生熱效應，因此可以實現極高精度的無損加工，在微納米級別的加工中表現尤為出色。更特別的是，由于飛秒激光的電磁波本性，它可以在透明材料內部實現各種加工過程，實現真正的三維微納米制造。
此外，飛秒激光由于極高的峰值功率，無論是金屬、陶瓷、聚合物還是復合材料，飛秒激光都能應對自如，擁有廣泛的材料適用性，已經被廣泛的應用于制備微光學、微機械、微電子等領域的微納器件。
飛秒激光加工原理與方法
近年來，飛秒激光加工技術飛速發展，也有許多基于飛秒激光的復合方法被提出。從飛秒激光與材料相互作用的角度來區分，各種飛秒激光加工的技術總計可以分為三類：飛秒激光增材制造、飛秒激光等材制造以及飛秒激光減材制造。
如圖1a所示，飛秒激光增材制造的代表方法是飛秒激光雙光子聚合3D打印技術，其基本原理是激光焦點處的雙光子吸收和光聚合反應，主要應用于光刻膠等軟材料的內部改性，可以逐層構建出復雜的三維微納米結構。如圖1b所示，飛秒激光等材制造的代表方法是飛秒激光誘導材料內部折射率變化，這個過程沒有材料的去除，其基本原理是硬脆材料內部對飛秒激光的非線性吸收過程，代表應用是光波導和光纖光柵等。如圖1c所示，飛秒激光減材制造的代表方法是飛秒激光表面燒蝕加工及可選的各種后處理手段，利用飛秒激光極高的峰值功率和極短的脈沖時間實現材料的“冷”去除，主要應用于制備各種功能性表面以及微切割、微打孔等領域。接下來將詳細介紹這三類飛秒激光加工技術的應用。
圖1 飛秒激光增材、等材、減材制造的示意圖
飛秒激光加工應用方向
1.飛秒激光增材制造之雙光子聚合3D打印
雙光子聚合3D打印（Two-Photon Polymerization, TPP）是一種先進的微納米級三維打印技術，利用雙光子吸收效應來實現高精度的三維微結構制造。其基本原理為雙光子吸收和光聚合反應，即當超快脈沖激光（如飛秒激光）的光子密度足夠高時，材料中的分子可以同時吸收兩個光子，發生雙光子吸收。雙光子吸收這一過程僅在激光焦點處發生，從而實現了飛秒激光加工的高空間選擇性。
另外在雙光子吸收過程中，材料中的光引發劑分子被激發，引發光聚合反應，使光敏樹脂在焦點處固化，通過精確控制激光焦點的移動便可以逐層構建出復雜的三維微納米結構。如圖2分別展示了雙光子聚合的代表工作納米牛，以及該技術可以用來制備的菲涅耳波帶片等衍射光學元件、復眼微透鏡陣列等折射光學元件、微流控元件、集成光學元件等。
總之，飛秒激光雙光子聚合3D打印技術能夠根據特定需求進行定制化制造，適用于生產小批量、高復雜度和個性化的產品，這在醫療器械、定制化電子元件和特殊用途的精密部件制造中具有重要意義。
圖2 雙光子聚合3D打印 （a）納米牛；（b）衍射光學元件；（c）折射光學元件；（d）微流控元件；（e）集成光學元件
2.飛秒激光等材制造之光波導刻寫
隨著社會信息化程度的不斷深化，人們對信道容量和通信速率的需求也越來越高。為解決傳統的電子芯片集成度難以進一步提升的問題，研究者們提出了具有更高的穩定性和更快的計算速度的光子芯片概念。使用飛秒激光可以在硬質材料內部制備真三維光子芯片，通過精確控制飛秒激光的曝光量、掃描軌跡以及散射體植入的方式，可以調控光子芯片的最基本單元——波導的各項特性，比如模場尺寸、偏振、損耗以及單/多模條件等。
進一步地，通過設計不同波導之間的耦合情況，可以實現量子模擬，還可以通過設計幾種參數空間中的不同泵浦路徑的波導結構，實現索利斯光子泵的非阿貝爾特性以及與泵浦方式相關聯的Wilczek–Zee和樂變換。如圖3a所示則為通過空間光調制器進行光斑形狀調整進而在材料內部制備波導的示意圖，圖3b-圖3d分別是基于飛秒激光直寫的三維偏振旋轉器，大縱深大規模深度連續變化波導陣列以及集成光子芯片。
圖3 光波導刻寫 （a）示意圖；（b）三維偏轉旋轉器；（c）大縱深大規模深度連續變化波導陣列；（d）集成光子芯片
3. 飛秒激光等材制造之光纖光柵刻寫
光纖光柵作為一種重要的光纖光學器件，具有抗電磁干擾、低傳輸損耗，以及體積小、易復用和易集成等顯著優勢，被廣泛應用于光纖傳感、光纖通訊和微波光子學等眾多領域，為光纖通信與光纖傳感等領域帶來了里程碑式的革命。因此，開展光纖光柵的制備方法及特性的研究不僅有助于擺脫基于光纖光柵的關鍵器件依賴進口的局面，也有利于加快解決技術和工藝方面 “卡脖子”難題。同時，還能為進一步推動光纖光柵技術在更多領域應用的成熟化、規模化和產業化提供有力支撐和有效保障。
飛秒激光加工技術為光纖光柵的制備提供了有利條件，得益于飛秒激光窄帶寬，高能量和高精度等優點，聚焦到纖芯內部的飛秒激光通過多光子吸收過程實現了纖芯內折射率的調制，對光場產生周期性的“微擾”即得到光纖光柵，并且過程中無需依賴于光纖的光敏性，大大降低了光柵制備的復雜度。而且飛秒激光能夠在各種類型的光纖材料上進行刻寫，包括標準的單模光纖、多模光纖、摻餌光纖等，這為不同的應用需求提供了靈活的選擇，拓寬了其在傳感、通信、激光器和放大器等領域的應用，為光纖技術的發展提供了強大的支持。
如圖4所示則分別為應用于高溫探測的藍寶石光纖布拉格光柵、應用于應力傳感的逐點刻寫切趾光纖光柵，以及激光誘導折射率變化刻寫長周期光纖光柵和藍寶石螺旋型光纖光柵。
圖4 光纖光柵刻寫 （a）藍寶石光纖布拉格光柵；（b）切趾光纖光柵；（c）長周期光纖光柵；（d）藍寶石螺旋型光纖光柵
4.飛秒激光減材制造之功能性表面的制備
飛秒激光能夠實現納米級別的精細加工，適用于制造高精度的表面微納結構，實現表面功能的定制化。例如圖5a所示的用于防污、防腐和自清潔等領域的超疏水和超親水表面；圖5b所示的用于光學器件、太陽能電池以及航空航天等領域的抗反射和增透表面；圖5c所示的用于表面傳熱性能或隔熱性能調控的熱調控表面以及圖5d所示的用于細胞附著和生長的生物醫學植入物和組織工程等生物相容性表面。
總之，飛秒激光在表面微納結構制備領域的應用，極大地提高了加工精度和效率，拓展了功能性表面的應用范圍，為未來的材料科學、光學、電子、機械和生物醫學等領域提供了強有力的技術支持。
圖5 功能性表面（a）超疏水表面；（b）增透藍寶石表面；（c）熱調控表面；（d）生物相容性表面
5.飛秒激光減材制造之多材料切割打孔
飛秒激光在材料表面切割和打孔方面的應用，因其高精度、低熱影響、高效能量吸收等優勢，在許多高技術含量的領域得到了廣泛的認可和應用。例如電子制造領域中，用于芯片制造的切割和打孔需要確保芯片邊緣整齊無缺陷；醫療器械領域中，用于微創手術器械的精密手術刀、微型鉗子等；用于航空航天工業的鈦合金和復合材料的精密切割和打孔，以便于飛機和航天器的關鍵部件制備；用于汽車零部件制造的精密加工渦輪葉片、發動機部件的切割和打孔，提高加工精度和效率。
總之，飛秒激光在材料切割和打孔方面的廣泛應用，使其在各種通信設備、精密儀器、新能源電池、奢侈品制造等高精密度、高附加值的行業中具有巨大的市場潛力，隨著技術的不斷進步和應用領域的擴展，飛秒激光將在更多行業中發揮重要作用。圖6a展示了飛秒激光在玻璃、半導體、激光晶體、鐵電體等多種透明材料中實現了橫向精度為10 nm，深寬比為10?的納米深加工以實現超隱形切割的卓越優勢，以及圖6b和圖6c所示的在藍寶石、硅等硬脆材料表面實現的精密打孔性能。
圖6 多材料切割打孔（a）超隱形切割；（b）鍍鋁藍寶石圓孔、方孔加工；（c）硅片群孔加工
吉成超快的顛覆性超快解決方案
吉成超快公司攻克了制約超快激光工程化應用的多項核心技術，包含基于激光成絲與激光改性的硬脆材料精密加工技術、高精度光機電協同控制技術、激光殼層掃描技術、光束穩定性控制技術以及誤差預測與補償等技術等；攻克裝備性能提升研究和工業化設計難題，推出了2大類飛秒激光加工系統，分別為：1）馬良（Maleon）系列超快激光雙光子聚合3D打印系統；適用于微光學、微流控、集成光子學、生物光子學等方向應用；2）魯班（Roban）系列飛秒激光放大器微納加工系統；適用于光纖光柵、光波導、材料表面精密加工，集成光子芯片等方向。
圖7 （a）Maleon飛秒激光雙光子聚合3D打印系統，（b）Roban-waveguide 飛秒激光光波導直寫系統，（c）Roban-FBG 飛秒激光光纖光柵刻寫系統，（d）Roban-Nano飛秒激光加工工作站（支持各類深度定制應用）
吉林省吉成超快設備有限公司依托吉林大學集成光電子學國家重點實驗室超快激光加工團隊于2019年成立。團隊擁有近20年飛秒激光加工技術積累，團隊相關研究成果“特種光電器件的超快激光微納制備基礎研究”獲2020年國家自然科學二等獎；“光學FIB效應”獲2023年國家自然科學二等獎。
公司的飛秒激光微納加工系統目前已申請了多項專利與商標進行知識產權保護，推出的飛秒激光加工系統已被清華大學、中國科學技術大學、上海交通大學、哈爾濱工業大學、南京航空航天大學、南京郵電大學、安徽大學、廣東工業大學、河北大學、河北工業大學、華為技術有限公司等數十所科研院所或企業研發中心應用。
作者簡介：
祁金勇，博士，吉林省吉成超快設備有限公司，工藝經理，從事飛秒激光加工工藝研究。
