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飞秒激光微加工技术研究进展

黄文浩

中国科学技术大学精密机械与精密仪器系合肥230026
摘要：本文主要介绍近两年来飞秒激光微加工技术进展，其中包括飞秒激光微加工原理与实
验系统，微加工工艺研究以及双光子飞秒激光三维微器件和三维信息存储研究。对双光子飞
秒激光加工点分辨率也进行了有益的探索。
我们在国家自然科学基金和863,985工程的资助下对飞秒双光子加工装备和加工工艺进行
了深入研究，现将取得的阶段性结果报告如下：
1.飞秒双光子三维微细加工实验系统

从功能上划分，现有加工系统由以下四个部分组成：1）飞秒激发源。它由泵浦激光源和
飞秒超快谐振腔组成。2）激光共焦显微镜系统。当飞秒光束经滤光、衰减和扩束后引入共
焦扫描显微镜。通过一个大数值孔径的物镜将激光束聚焦到样品中，可以在激光焦点处实
现局域范围内材料的双光子激发。共焦显微镜系统在实验中还被用来进行三维存储信息的
读取。3）曝光控制系统。为了实现材料的三维成型，必须很好地控制飞秒光束的通断和材
料的曝光位置。这些功能通过光路中的光闸和三维PZT扫描平台来实现，系统通过计算机
控制来实现两者之间的协调动作。4）实时监测及信息读取部分。激光焦点处材料所发生的
变化可通过CCD和PMT进行实时监测（取决于材料是否存在激发荧光）。图1和图2分别为
现有双光子加工系统的实物照片和系统示意图。

图1.飞秒双光子三维微细加工实验系统

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CCD监视器532nm泵浦激光

共焦小孔

光电倍增管钛宝石飞秒谐振腔

激光光路能量近红外
分色镜
扩束管开关衰减片滤光片

光敏材料

XYZ-扫描器

照明灯控制软件
图2.双光子微细加工及信息存储系统示意图

1.1.飞秒激光系统

已建立的飞秒激光器是以二极管泵浦的固体激光器为超快泵浦源，泵浦激光为532nm
的连续光，超快部分的整体布置为X型谐振腔。在4.5W的泵浦功率下，系统可输出500mW
连续的近红外激光。利用Ti宝石晶体的光Kerr效应，使连续的红外激光发生自锁模，进
而输出稳定的飞秒激光。图3b所示为飞秒激光脉冲重复频率的测量结果，图中激光脉冲的
周期为12.5ns，即80MHz。经测试，该激光器输出激光的脉宽为80fs，稳定输出功率>400mw，
激光中心波长800nm。

图3a为飞秒脉冲重复频率的测试结果，图3b为激光脉冲的脉冲宽度测试结果。

图3.(a)飞秒脉冲重复频率的测试结果(b）脉冲宽度测试结果

1.2.飞秒激光双光子微细加工系统控制软件的开发

根据自行搭建加工系统的硬件情况,编制了一套控制加工软件。软件与国际流行的

建模软件AutoCAD有接口，并利用ObjectARX和MicrosoftVisualC++6.0来进行二

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次开发，主要有：三维实体造型；实体模型离散分层处理和切片过程仿真以及三维模型

重建模块；截面数据的提取与保存，结交平面数据的处理，即平面封闭环方向和复合环

的判别，轮廓环的偏移计算和轮廓扫描路径的生成，平面实体内部填充的行栅式扫描路

径的生成，扫描路径检查和CNC指令的自动生成；成型过程的动态仿真等。

在生成加工代码的基础上，对纳米移动台的X、Y、Z轴以及光开关进行联合控制，

使四轴达到协调一致动作，实现三维立体加工。

图4为飞秒激光双光子微细加工系统控制软件的截面，在建模、实体离散、以及

加工代码生成后进行的二维和三维的加工仿真。

错误！

图4.飞秒激光双光子微细加工系统控制软件

2.进行了双光子加工工艺参数和加工分辨力研究

激发能量、所使用的聚焦物镜和材料的一些相关特性是影响双光子加工系统加工能力
的重要因素。应用现有双光子三维微细加工系统，着重就激发光强、覆盖率和物镜数值孔
径等工艺参数进行了实验研究，实验结果如图5所示。

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(a)(b)(c)(d)

图5.对不同材料进行的工艺实验结果

40×物镜NA=0.66正胶;(b)(c)40×物镜NA=0.66负胶;(d)50×物镜（NA=0.85）负胶

双光子微细加工系统的分辨能力直接影响三维器件成型的精度和质量。根据自由基类
光聚合材料双光子加工分辨力的理论分析，提出等光强面的概念，在此基础上讨论了激发
光强与系统加工分辨力之间的关系。通过不同光强条件下双光子三维加工固化单元的实验，
验证了等光强面和系统分辨力之间的对应关系，

1
)2(22
径向分辨力：d(I0,t)=Cshω0(ln(φσI0t/C))

)2(21/21/2ρ0
轴向分辨力：l(I0,t)=2zR[(φσI0t/Cth)−1]且Cth=ln[]
()ρ0−ρth
图6分别给出了加工系统分辨力理论模拟和单元固化实验的结