飞秒激光微加工技术概述

学士学位论文（设计）Bachelor’sThesis论文题目飞秒激光微加工技术概述作者姓名学号所在院系物理与电子科学学院学科专业名称电子信息科学与技术导师及职称论文答辩时间XXX编号2016120433研究类型理论研究分类号TN2XXXXX学士学位论文（设计）诚信承诺书中文题目：飞秒激光微加工技术概述外文题目：Summaryoffemtosecondlasermicroprocessingtechnology学生姓名XXX学号XXX院系专业物理与电子科学学院电子信息科学与技术班级XXX学生承诺我承诺在毕业论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，本人毕业论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的情况。如有违规行为，我愿承担一切责任，接受学校的处理。学生（签名）：年月日指导教师承诺我承诺在指导学生毕业论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，经过本人核查，该生毕业论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为该生本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的现象。指导教师（签名）：年月日目录1、绪论..................................................11.1课题研究背景及意义................................31.2国内外研究现状....................................32、飞秒激光的产生原理...................................52.1飞秒激光及其用途...................................52.2飞秒激光的特性....................................63、飞秒激光微加工技术及其应用...........................93.1飞秒激光微加工.....................................93.2飞秒激光微加工技术的特点.........................113.3飞秒激光微加工技术与传统微加工技术的比较.........133.4飞秒激光微加工技术的应用.........................143.5飞秒激光微加工技术的发展趋势应用前景.............264、本论文主要工作总结及展望............................274.1本论文主要工作....................................274.2总结与展望........................................27参考文献.................................................28致谢飞秒激光微加工技术概述XXX（导师：XXX）（XXXXX物理与电子科学学院，湖北XXXXX）摘要：近年来，新兴的飞秒激光对科学家的新能源研究也有着重要意义。本文首先综述飞秒激光及其微加工技术的发展史，其次再简单介绍下其在国内外的研究进展。详细的介绍了飞秒激光微加工技术在物理、机械、生物以及医学方面等多方面的应用。最后总结性的简述飞秒激光微加工技术的现在发展所遇到的问题和以后的发展趋势、应用前景。关键词：飞秒激光微加工;发展;应用;前景中图分类号：TN2SummaryofFemtosecondLaserMicroProcessingTechnologyXXX（Tutor:XXX）(CollegeofPhysicsandElectronicScience，XXXXX)Abstract:Inrecentyears,Emergingoffemtosecondlaseralsohasimportantsignificancefornewenergyresearchscientists.Thispaperfirstreviewsandfemtosecondlasermicroprocessingtechnology,thehistoryofthesecondsimpleintroducetheresearchprogressathomeandabroad.Detailedintroducesthefemtosecondlasermicroprocessingtechnologyintermsofphysical,mechanicalandbiologicalandmedicalaspectsofapplication.Finallythesummarydescriptionoffemtosecondlasermicroprocessingtechnologynowencounteredproblemsandfuturedevelopmenttrendsandapplicationprospects.Keywords:Femtosecondlaser;Micro;applicationprospect1飞秒激光微加工技术概述1绪论1.1课题研究背景及意义20世纪以来，人们的发明创造能力越来越强，各类的重大发明相继涌现。誉有“神奇的光”之称的激光的出现，更是掀起了继半导体、计算机、原子能之后又一股新兴产业浪潮。激光（LASER）开始时被称为“雷射”、“镭射”，意思是“在受激辐射过程中产生并且被放大的光”即为激光。1916年犹太裔物理学家阿尔伯特·爱因斯坦创新性的提出了激光的理论基础，这也是历史上首次对激光原理的定义。之所以被称为“新能源”，激光的出现是有理论准备的，同时激光也是那个时代迎合着生产实践需求而产生的。它的出现无异于给古老的光学科学和光学技术注入新鲜活力的血液，使得一门新兴的产业就此打开了发展的大门。激光是20世纪60年代的新机会，由于具有定向发光、亮度极高、颜色极纯和能量密度大等特点使得以激光器为基础的激光产业在各个地方发展非常迅猛。现在在工业生产、电子通讯、信息整理、医疗、军事、文化教育以及科研等方面应用广泛。据相关部门统计，全球现在从高科技端的光纤使用到很普遍的超市或者商用条形码扫描仪的普及，有上万亿美元的产品和服务都与激光有或多或少的关联。一份由前瞻产业研究院调查的数据报告显示：目前中国激光产业的发展前景可观，激光行业已经具备较为齐备和通顺的的产业链，并且分布均匀极近成熟。上行主要包括器件的基本原材料和组成部分如激光材料及配套元器件，中间部分是各种类型的激光器及其配套设备，下行主要是以成品显示，激光原理的产品、基本的消费产品、仪器设备为主，并被人们广泛使用。随着时代的发展，移动型互联网的对人们生活的影响越来越大。从以前简单的数字计算，再到逐渐普及各方面的智能，慢慢地把人们的生活、学习、工作、娱乐等各个方面与各行业的顶尖新技术紧密联合在一起，满足人们各方面的需求。虽然激光的出现解决了很多技术上的局限性，打破了以前不可2能的记录。但是随着人们经济水平的提高，物质生活的转变，对生活品质、身体健康的要求也日益提高。所以传统的激光在一些方面的缺点逐渐暴露出来。例如激光脉冲时间长，造成能力的散失，对微加工来说很不利。激光手术风险太大、激光的颜色也不满足所有材料、紫外激光对很多材料都不是透明的、所以使用的时候很麻烦。诸如此类的问题慢慢积累起来，引起人们的重视。而此时，一种很神奇的激光即为飞秒激光进入了科学家的研究发现中。什么是飞秒激光？从名字上面理解：飞秒(femtosecond)是衡量时间长短的单位之一，简称毫微微秒，1秒是1飞秒的一千万亿倍。飞秒激光即是一种以脉冲形式运转的特殊激光，时间脉冲特别短。飞秒激光的出现在一定上弥补了传统激光的不足。飞秒激光完全是人类创造的奇迹。飞秒激光是目前最短脉冲的激光，而获取它需要在实验室条件下。飞秒激光可以在瞬间发出的很大的功率甚至比全世界的发电总功率还大。据人们生活统计，它的很多特性已有所应用，很多科学家预言说飞秒激光会促进当下世纪新的能源力量的产生。飞秒激光的应用前景很广，会开辟新的一块科学领域，创造出一个新的历史新纪元，未来充满希望和挑战的。飞秒激光的用途是什么？大家都知道，物质的静止是相对的，即使在物质内部也是一样的，时时刻刻都在快速地运动着。这个属性对于宏观物质和微观物质均适用。人们对于微观物质的观察就是基于飞秒激光的技术层面的，例如：原子和核外电子的快速运动过程。在毫微微秒内观察和研究超短时间内的运动学过程，只是飞秒激光一个特点。瞬间高功率经常在微加工制造的时候显示出来。为了得到较高的峰值光强，首先发射低脉冲能量，然后通过诱发双光子或者是多光子进行吸收，可以使材料内部发生改变，最后达到目的。目前，微加工制造的迅猛发展向加工技术、精度以及加工难度提出了更加严格要求。所以，在解决以前滞留问题的同时，飞秒激光微加工技术还可以有自己独特的创新，比如：直接加工出真正的三维微结构在透明材料内部。飞秒激光器在市场上的出现很快就夺得了精密手术医疗和仪器加工行业的青睐。飞秒激光微加工技术的良好群众基础就是从此来的。此外，目前很多关于飞秒激光微加工原理的试验和研究大多是创新性的，本文中将通过与传统激光、长脉冲的比较，来突出飞秒激光及其微加工技术的特性和优势。31.2国内外研究现状20世纪60~70年代，激光开始出现，并且缓慢发展。在这一阶段，采取的波段主要是近红外波和红外波的激光高功率系统。当前他们的输出功率普遍较高水平在千瓦量级，光能量的输出都在纳秒时间范围内。作为当时主要的激光加工材料：金属，加工过程还是多样化的。但是由于传统激光在加工过程中的热量扩散、加工材料的选择、较差的方位选择能力等缺点逐渐暴露，所以人们又有了新的追求目标。20世纪80年代，随着宽带可调谐技术的出现以及自锁模技术的发展，似乎啁啾脉冲放大技术的出现，并不是很让人惊讶。飞秒激光微技工技术得到了很好的发展，利用宽增益带宽的染料激光器再加上调Q和锁模等新技术并用的锁模振荡，使普通的激光脉冲的宽度窄达到毫微微秒（1510s）量级，也提高了峰值功率范围高达太瓦(1210W)甚至于拍瓦(1510W)。由此可见，飞秒激光是在激光技术的一种特殊发展，也是电子技术特别是调频技术下的不断创新开拓的背景下发现的一种脉冲极短功率极高的激光。图1是20世纪激光的发展趋势图。到了20世纪80年代中期,啁啾脉冲放大技术(CPA)图2被应用于创造超短超强激光脉冲，成功的开创了飞秒激光微加工技术发展的新起点。图1超短激光脉冲发展趋势4图2啁啾脉冲放大技术示意图我国飞秒激光微加工技术的发展在国际上占有非常的重要地位。中国物理科学院及其研究所在近些年内先后制造出来了极光Ⅰ(1.4TW/25fs)和极光Ⅱ(20TW/30fs),现在正在致力于建造极光Ⅲ(200TW/40fs),在研究飞秒激光产生方面有显著成果[1,2]。位于上海的中国科学院光学精密机械研究所于在2003年时,就研制出当时国际上功率最高OPCPA激光器[3,4],2004年时又利用自己制作的的大口径钛宝石晶体，实现了120TW/36fs的激光脉冲输出[5],现在正在致力于建造更高功率的飞秒激光微加工装置。国际上主要飞秒激光装置列于表2。下面主要介绍国外科研工作者在这一课题的研究成果和现状：自从1916年爱因斯坦提出激光原理以后，更多的科研工作者投入到这一新兴产业中。1974年LLNL实验室创造出了百焦耳级功率级别的钕玻璃激光器。2000年时建成了JanUSP[6](Janus-pumpedultrashort-pulselaser)装置。输出功率达到200太瓦,脉冲宽度为75fs，聚焦功率密度很高，高达2×1021W/cm2。在当时达到了最高的输出功率和最大的聚焦功率密度。日本的原子能研究所(JAERI)刚开始建造了一台10Hz,18.9fs,100太瓦激光器[7],然后又创造出了一台150J钕玻璃激光器抽运80钛宝石放大级,在2002年的时候此装置已经可以输出550太瓦(32.9fs,1