超快激光,又称超短脉冲激光,是指脉冲宽度在几十ps(1ps=10-12s【10的负12次方】)及以下量级的脉冲激光。自1960年第一台激光器诞生以来,超短的脉冲宽度和超高的功率一直是激光器的重要发展方向。此后,超快激光技术得到迅速发展,并被广泛应用于先进制造、超快成像、信息存储及临床医学等领域。

与连续激光加工或长脉冲激光加工相比,超快激光脉冲加工具有持续时间短、峰值功率高、热影响区小等特点。超短脉冲持续时间使激光能量主要沉积在光子-电子作用过程中的极小范围内,可极大地减少重铸层及微裂纹等缺陷的产生;超快激光脉冲加工可以在一定程度上避免长脉冲激光加工中常见的等离子体屏蔽效应的产生;超快激光峰值功率可达100TW，几乎可以加工所有材料,包括金属、半导体、电介质及生物组织等。由于峰值功率高,超快激光与原子、自由电子、离子及等离子体等的相互作用是非线性、非平衡过程,不再是热熔过程。短脉冲激光损伤阈值的统计不确定性更小,这些特点使得飞秒激光加工可以达亚微米精度。

传统超快激光高斯光束的空间、时间能量分布在加工中具有局限性,以单点聚焦扫描为主的加工方法难以满足制造的精度、效率及跨尺度加工要求。因此,研究人员将目光聚焦到超快激光光束整形的制造方法上。激光光束整形通常可分为空域整形、时域整形和时空域协同整形。空域整形是指改变激光能量在空间范围内的分布,时域整形是指改变激光能量随时间的分布。与传统的高斯光束相比,整形后的光束具有新的空间和时间能量分布,可以满足特定应用要求,在加工质量、精度及效率方面有更大的优势。

本文仅简单介绍超快激光时域光束整形方法及应用。

时域光束整形是指采用4f系统、光栅/棱镜对或可控衍射器件等实现任意脉冲形状或者整形脉冲序列的产生。时域光束整形将传统的一个超快脉冲整形成一个脉冲序列,每个脉冲序列由间隔从飞秒到皮秒的数个子脉冲组成,且每个子脉冲之间的能量比也可以自由设计。时域光束整形常见的方法有傅里叶变换法、SLM、超表面法及薄膜法等。

下图是采用光学4f系统对皮秒激光进行时域整形,其基本原理为将入射激光从时域转换至频域,利用频率调制器,经相应调制后再还原至时域,最终得到想要的时域整形激光脉冲。

傅里叶变换脉冲整形基本装置

第二种是基于衍射的方法,该方法通过二维相位SLM同时对飞秒激光脉冲的相位和振幅进行整形。该方法抑制了飞秒脉冲整形中调制器缺陷导致的某些类型的时域复制特征,并允许适用于各种应用的多路输出。下图是使用动态介电超表面,通过操纵频率分量的相位和幅值来进行近红外超短(飞秒)脉冲整形。

使用介电超表面的超快光学脉冲整形

具体应用：

案例1：使用飞秒激光脉冲序列辐照加化学刻蚀的方法在石英玻璃中加工微通道，观察脉冲延迟和脉冲能量分配比对微通道加工结果的影响。

与传统的飞秒脉冲相比,时域整形飞秒激光脉冲序列可以大大提高刻蚀速率,这种增强主要是通过超快激光脉冲整形对材料的局域瞬态电子动力学进行控制,从而获得较高的光子吸收效率和均匀的改性区来实现的。利用时域整形飞秒脉冲序列对材料进行局域瞬态电子动力学控制,实现了石英玻璃的非偏振刻蚀。由于脉冲序列的脉冲延迟大于1ps,因此不会形成与相干场矢量相关的耦合,场不再具有方向性,从而形成了无序互连的纳米结构,而不是传统非整形脉冲加工时常形成的纳米光栅结构。

飞秒激光辅助化学刻蚀微通道的光学显微图 (a)常规脉冲;(b)双脉冲

案例2：通过改变飞秒激光脉冲序列的脉冲延时和扫描速度,利用在硅上加工LIPSS时的偏振相关各向异性,实现了扫描线宽的可调控。

利用偏振正交的飞秒激光双脉冲序列在硅表面上操纵LIPSS的走向,使得无论激光扫描路径如何变化,LIPSS的走向都垂直于该处的扫描方向。脉冲延迟对颗粒尺寸的调控下如图所示。与单个脉冲相比,飞秒激光双脉冲的脉冲延迟为20ps时,该方法可将产率提高2.6倍,将所得硅纳米颗粒的平均尺寸减小约1/5。

脉冲延迟时间不同的情况下制备的硅纳米颗粒的透射电子显微镜(TEM)图及相应的尺寸分布（a）0 fs；（b）100 fs；（c）200 fs；（d）1000 fs   

转自：光学与半导体综研

注：文章版权归原作者所有，本文仅供交流学习之用，如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。