超短、超強(qiáng)和高聚焦能力是飛秒激光的3大特點(diǎn)。 飛秒激光脈寬可短至4 fs(1fs=10^-15 s)以內(nèi)…，峰值 功率高達(dá)拍瓦量級(1Pw=10¹⁵w)聚焦功率密度達(dá)到10²⁰-10²²W／cm²。飛秒激光可以將其能量全部、快速、準(zhǔn)確地集中在限定的作用區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體、塑料、聚合物、樹脂等材料的微納尺寸加工，具有其它激光加工無法比擬的優(yōu)勢：①耗能低，無熱熔區(qū)，"冷"加工；②可加工的材料廣泛：從金屬到非金屬再到生物細(xì)胞組織，甚至是細(xì)胞內(nèi)的線粒體；③高精度、高質(zhì)量、高分辨率，加工區(qū)域可小于焦斑尺寸，突破衍射極限；④對環(huán)境沒有特殊要求，無污染。飛秒激光微加工是當(dāng)今世界激光、光電行業(yè)中極為引人注目的前沿研究方向。世界各國學(xué)者在飛秒激光與材料相互作用機(jī)理研究方面已取得重大的進(jìn)展，開發(fā)出以鈦寶石激光器為主的飛秒激光微加工系統(tǒng)，開展了飛秒激光微納加工的工藝研究，促進(jìn)了多學(xué)科的融合，推動著飛秒激光微納加工技術(shù)向著低成本、高可靠性、多用途、產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展。飛秒激光微加工技術(shù)將在超高速光通訊、強(qiáng)場科學(xué)、納米科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用和潛在的市場前景。本文旨在綜述飛秒激光微加工技術(shù)國內(nèi)外的研究狀況，介紹飛秒激光微加工的重要應(yīng)用，展望其今后的發(fā)展趨勢。  

1 飛秒激光微加工系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
   
   飛秒激光出現(xiàn)以來，啁啾脈沖放大、以鈦寶石晶體為主的增益介質(zhì)、克爾透鏡鎖模。和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡等技術(shù)促使著它從染料激光器發(fā)展到自啟動克爾透鏡鎖模激光器，以及后來的二極管泵浦全固態(tài)飛秒激光器和飛秒光纖激光器。為滿足科研和生產(chǎn)進(jìn)一步發(fā)展的要求，國內(nèi)外學(xué)者仍然致力于飛秒激光器研究，紛紛搭建起微加工系統(tǒng)。飛秒激光系統(tǒng)由振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器4部分組成。表1是近年來國內(nèi)外最具有代表性的飛秒激光器、微加工系統(tǒng)。從表l可以看出：①輸出脈寬大約幾百飛秒，真正短到幾飛秒的甚少，因而平均功率較低，限制了它在商業(yè)中的應(yīng)用，生產(chǎn)效率較低；②工作穩(wěn)定性提高，壽命延長，如暢銷全球的CPA-21××系列的種子光有20年的平均無故障時(shí)間；③實(shí)現(xiàn)MHz的重復(fù)頻率輸出；#p#分頁標(biāo)題#e#④可調(diào)諧波長范圍變廣，加工精度、光束質(zhì)量較高；⑤利用它的超快特性，逐漸實(shí)現(xiàn)三維精細(xì)加工。但飛秒激光系統(tǒng)在小型化、可調(diào)可控性、實(shí)用性、全光纖等方面還有很大的發(fā)展空間。 

飛秒激光加工微結(jié)構(gòu)
   
   基于能量高度集中、熱影響區(qū)小、無飛濺無熔渣、不需特殊的氣體環(huán)境、無后續(xù)工藝、雙光子聚合加工精度可達(dá)0．7μm等優(yōu)勢，飛秒激光在誘導(dǎo)金屬微結(jié)構(gòu)加工應(yīng)用方面和精細(xì)加工方面都取得了很大的進(jìn)展。
   
   (1)孔加工在1mm厚的不銹鋼薄片上，飛秒激光進(jìn)行了具有深孔邊緣清晰、表面干凈等特點(diǎn)的納米級深孔加工；在金屬薄膜上，鈦寶石飛秒激光加工制備出了微納米級陣列孔，孔徑最小達(dá)2.5μm，孔直徑在2．5～10μm間可調(diào)，最小間距可達(dá)10μm，很容易實(shí)現(xiàn)10-50μm間距調(diào)整。  

2 光通信領(lǐng)域
   
   光通信的高速率、大容量和寬帶寬的發(fā)展方向，要求光電器件的高度集成化。而集成化的前提是光電器件的微型化。因此，光電器件的微型化是當(dāng)前光通信領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)。近年來，相比傳統(tǒng)的光電技術(shù)，飛秒激光微加工技術(shù)將成為新一代光電器件的制造技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者在光波導(dǎo)的制備技術(shù)等諸多方面進(jìn)行了有益的探索，取得了很大的進(jìn)展。
   
   (1)光波導(dǎo)的制備光波導(dǎo)易于和光纖通信系統(tǒng)耦合且損耗小，在頻域中呈現(xiàn)出豐富的傳輸特性，成為光纖器件的研究熱點(diǎn)。與離子注入法和熱擴(kuò)散型離子交換法等目前常用的制作方法相比，飛秒激光制作波導(dǎo)在室溫環(huán)境下進(jìn)行，過程簡單，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在高溫時(shí)仍能保持良好的質(zhì)量和穩(wěn)定性。美國學(xué)者用飛秒激光 制備的增益光波導(dǎo)長1 cm，可產(chǎn)生3 dB／cm的信號增益。大阪大學(xué)的WatanabeW等用85 fs、重復(fù) 頻率l kHz#p#分頁標(biāo)題#e#、單脈沖能量1．5 μJ的鈦藍(lán)寶石激光制作 的多模干涉波導(dǎo)陣列，實(shí)現(xiàn)了高階模輸出。目前，利用計(jì)算機(jī)精密控制飛秒激光加工平臺，可以在材 料內(nèi)部的任意位置制得任意形狀的二維、三維或單模光波導(dǎo)。
   
    (2)光柵的制備光柵在光通訊、色散補(bǔ)償、光纖傳感等領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對光柵提出了更高的要求：①不同幾何形狀排列，如六角陣列光柵；②在光纖內(nèi)部刻劃，如Bragg(布拉格)光纖光柵。傳統(tǒng)加工方法工序繁雜、制作的光柵穩(wěn)定性差、壽命短。而飛秒激光微加工克服了這些缺點(diǎn)，永久性改變折射率，改變量高達(dá)0．05，實(shí)現(xiàn)直接刻劃，順應(yīng)了現(xiàn)代光柵微型化和多樣化的發(fā)展趨勢。MihailovS等人采用鈦寶石飛秒激光在摻鍺通信光纖纖芯上獲得的反射Bragg光柵，具有折射率調(diào)制范圍廣，溫度穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。

   (3)光子晶體的制備光子禁帶和光子局域是光子晶體的兩大特征，使其極有可能取代大多數(shù)傳統(tǒng)的光學(xué)產(chǎn)品。但是微米甚至亞微米級三維復(fù)雜光子晶體的制備技術(shù)是急需解決的關(guān)鍵問題。飛秒激光雙光子聚合法靈活，加工精度高，是制備光子晶體的理想選擇。SunH B等人采用飛秒激光制出任意晶格的光子晶體，它能單獨(dú)地為單個(gè)原子選址。serbinJ等人采用飛秒激光雙光子聚合得到結(jié)構(gòu)尺寸小于200 nm，周期為450 nm的三維微結(jié)構(gòu)和光子晶體㈣J。MarkusDeubel采用飛秒激光直接掃描法制出應(yīng)用于無線電通信的三維光子晶體。國內(nèi)的戴起勛等制出桿、層間距均5μm，共4層，分辨率為1．1μm的層狀木堆型光子晶體。

   (4)光存儲使用高分辨率存儲材料無疑會增加記錄密度，而采用超短激光進(jìn)行亞微米級操作會得到更好的效果。飛秒激光多光子吸收作用引起材料的永久性光致還原現(xiàn)象，為超高密度三維立體光存儲提供了一個(gè)全新的思路，存儲密度可達(dá)10¹³bits#p#分頁標(biāo)題#e#／cm³。其特點(diǎn)：①快速的數(shù)據(jù)讀、寫、擦寫、重寫；②并行數(shù)據(jù)隨機(jī)存??；③相鄰數(shù)據(jù)位層間串?dāng)_??；④存儲介質(zhì)成本低。飛秒激光三維立體光存儲技術(shù)成為當(dāng)前海量存儲技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新研究方向。
   
   (5)微通道的制備聚合物力學(xué)性能好，具有生物相容性，而且飛秒激光光束幾乎可以毫無衰減地到達(dá)透明材料內(nèi)部的聚焦點(diǎn)，入射激光唯有在該點(diǎn)位置才能獲得較高的功率密度，發(fā)生非線性多光子吸收和電離，實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)任意部位三維微結(jié)構(gòu)的直寫。采用150fs鈦藍(lán)寶石脈沖激光在聚甲基丙烯酸甲脂(Polymethyl Methacrylate：PMMA)內(nèi)制備出最小直徑2μm、最長達(dá)10mm的微通道，道壁光滑且沒有裂紋，沒有損壞透明材料表面，這種微通道將廣泛用于生物醫(yī)學(xué)技術(shù)如DNA拉伸、微統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)等。