飛秒激光開始應(yīng)用到微納加工領(lǐng)域始于20世紀(jì)90年代初。正是由于飛秒激光具有持續(xù)時(shí)間短及高脈沖功率密度的特性，使得其與物質(zhì)相互作用時(shí)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：確定的燒蝕閾值，規(guī)則的加工邊緣，層層微加工以及可加工任何材料等。最近研究結(jié)果表明：飛秒激光微細(xì)加工在微光學(xué)、微電子、微機(jī)械、微生物、微醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。不同學(xué)科、不同實(shí)驗(yàn)具有不同的具體要求，這就需要采取相應(yīng)的加工手段來(lái)實(shí)現(xiàn)特定加工目的，囚此飛秒激光深孔加工技術(shù)等加工工藝開始引起越來(lái)越多研究者的重視。
        激光整形技術(shù)是指在激光腔內(nèi)或腔外采用光學(xué)元件改變光束形態(tài)實(shí)現(xiàn)光束整形。飛秒激光脈沖整形有別于傳統(tǒng)整形概念，主要是在保留原有高峰值功率特性基礎(chǔ)上，在光路中引人擴(kuò)束器、濾波器以及衍射模板等光學(xué)器件，達(dá)到縮小聚焦尺寸、去除高斯光束周圍熒光成分、減少脈沖形變及多種形狀加工等目的。常用的是空間濾波和掩模控制技術(shù)?？臻g濾波是實(shí)現(xiàn)對(duì)光束邊緣熒光的屏蔽效用，實(shí)現(xiàn)聚集點(diǎn)光學(xué)質(zhì)量的改善，掩?？刂剖峭ㄟ^(guò)掩模形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的調(diào)制，以達(dá)到確定的加工目的。
        本文采用聚焦物鏡與接收材料同步運(yùn)動(dòng)的方法，可以很容易地將焦點(diǎn)前后脈沖的空間形態(tài)在材料表面以二維平面圖形式表示出來(lái)。在聚焦物鏡前加小孔掩模板，通過(guò)小孔直徑及小孔前后脈沖能量的變化，可直觀觀察到光束空間形態(tài)的改變。最后，實(shí)驗(yàn)選取合適參數(shù)，成功刻劃出邊緣光滑的透射型金屬光柵。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

       實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用的是Clark公司飛秒激光加工工作臺(tái)（UMW-2110i，Clark-MXR Inc.）。激光具體參數(shù)為：中心波長(zhǎng)775nm，脈寬148 Fs，重復(fù)頻率1kHz，最大單脈沖能量1mJ，在光路上加衰減片可以調(diào)整脈沖能量，聚焦前光斑直徑5mm；掩模小孔直徑可調(diào)范圍為0.5～10mm；接收材料為噴濺法鍍?cè)谌苁⒒系慕鹉ぃê穸燃s為300nm）。飛秒激光經(jīng)掩模小孔后由5×顯微物鏡（有效焦距為40 mm）聚焦金膜表面。采用物鏡與接收平臺(tái)同步運(yùn)動(dòng)的方法，將焦點(diǎn)前后脈沖的空間形態(tài)以二維平面圖形式在金膜表面顯示出來(lái)；加工結(jié)果采用透射式光學(xué)顯微鏡和SEM進(jìn)行分析測(cè)試。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

       物鏡由平臺(tái)承載做軸向（Z軸）移動(dòng)，材料由X-Y軸承載，同步運(yùn)行Z軸和X軸就能夠?qū)⒔裹c(diǎn)附近軸向范圍內(nèi)達(dá)到材料閾值的長(zhǎng)度在金膜上記錄下來(lái)，焦點(diǎn)位置是從材料表面之上移到材料內(nèi)部，與此相對(duì)應(yīng)，圖像中是由右到左。結(jié)果可以和瑞利長(zhǎng)度相比較進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

       通常的，如果知道激光中心波長(zhǎng)，透鏡的焦距f和入射光在透鏡前表面處的束腰半徑ω，就可以得到瑞利長(zhǎng)度Z_R，瑞利長(zhǎng)度的表達(dá)式為：

       式中：ω₀=λ₀f/πω，為焦點(diǎn)處束腰半徑。由于實(shí)驗(yàn)采用的是物鏡，從有效工作距離較難推出真正的束腰半徑，實(shí)驗(yàn)中ω₀采用刀口法測(cè)量了焦點(diǎn)處束腰半徑值為11.5μm，所以5×顯微物鏡瑞利長(zhǎng)度約為0.54mm。
而焦點(diǎn)附近軸向范圍內(nèi)光束半徑ω（z）的變化是與瑞利長(zhǎng)度和焦點(diǎn)處束腰半徑有關(guān)的函數(shù)，如圖2所示，其表達(dá)式為：

圖2 光束束腰半徑（ω（z））在焦點(diǎn)附近隨傳輸方向變化示意圖

       實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變圖1中針孔直徑大小，觀察焦點(diǎn)附近光軸方向所能實(shí)現(xiàn)燒蝕區(qū)域的變化情況，分別采用保持針孔前和針孔后脈沖能量不變的兩種情形，在金膜表面記錄下焦點(diǎn)附近光束傳輸形態(tài)。圖3為上述兩種情形下顯微圖像。其中，Z軸和X軸運(yùn)行速度均為0.3mm/s，單脈沖能量在小孔前后分別為91.7μJ，Z軸和X軸行程均為600μm，圖中由上至下針孔直徑依次為∞、4mm、3mm、2 mm。

       從圖3（a）可以看出，不加針孔（開孔）時(shí)，燒蝕區(qū)域在焦點(diǎn)附近基本為對(duì)稱分布，且偏離焦點(diǎn)位置時(shí)，燒蝕線寬迅速增加，成紡錐型分布。隨著小孔加入，通光尺寸變小，燒蝕區(qū)域線性尺度逐漸降低，聚焦點(diǎn)位置與兩翼燒蝕線寬差異明顯減少，甚至有遠(yuǎn)離透鏡跡象（見(jiàn)針孔直徑為2mm的情況）。改變脈沖能量而保證小孔后的能量一致，燒蝕現(xiàn)象沒(méi)有明硅差異（見(jiàn)圖3（b）），只是燒蝕線寬有所加大。上述現(xiàn)象通過(guò)式（1）和（2）可以很好的解釋：加入小孔后，由于孔徑的限制，使得照射到透鏡表面束腰半徑ω減小，造成焦點(diǎn)處的束腰半徑ω₀有所增加，瑞利長(zhǎng)度Z_R變大，因而在式（2）中，焦點(diǎn)附近束腰半徑ω（z）隨z的變化比不加小孔時(shí)減弱，宏觀上就得到了圖3中比較平緩的加工結(jié)果。

圖3 光束刻痕與針孔直徑變化關(guān)系圖

       圖4和圖5分別給出了開孔以及小孔直徑分別為4mm、3mm、2mm時(shí)不同脈沖能量下（小孔前測(cè)得）焦點(diǎn)附近燒蝕形態(tài)的變化，Z、X軸行程仍為600μm。隨著小孔直徑的減小，透過(guò)小孔后的脈沖能量將會(huì)低于材料燒蝕閾值。因此，在圖5（a）和圖5（b）中只有4條燒蝕痕跡，甚至圖5（c）中只存在3條燒蝕線。
從圖4和圖5中可以看出，單脈沖能鼉較低時(shí)，不管是開孔還是一定針孔作用下焦點(diǎn)附近脈沖形狀不存在明顯紡錐型分布，但加針孔后焦點(diǎn)附近光束半徑變化還是舒緩了很多，較利于進(jìn)一步做深加工與切割方面的研究；隨著針孔直徑的降低，能夠?qū)崿F(xiàn)燒蝕的區(qū)域在明顯減?。ㄐ∮谌鹄L(zhǎng)度），這主要是針孔限制了大部分能量到達(dá)材料表面；小孔直徑為4mm時(shí)，脈沖傳輸形狀受激光能量的影響相對(duì)較??；與圖3類似，實(shí)驗(yàn)另一個(gè)現(xiàn)象就是隨著針孔孔徑的減小，聚焦區(qū)域的最小束腰半徑處向靠近透鏡方向移動(dòng)，這一點(diǎn)可以用聚焦束腰半徑與聚焦前束腰與透鏡前表面距離的變化關(guān)系來(lái)很好解釋。

圖4 開孔時(shí)光束刻痕隨脈沖能量變化關(guān)系圖

圖5 光束刻痕隨脈沖能量變化關(guān)系圖#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

       利用上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)采用開孔與針孔直徑為4mm（單脈沖能量為90μJ）兩種情況分別對(duì)金膜和不銹鋼板進(jìn)行打孔加工，得到的圖像如圖6～10所示。

圖6 金膜表面加針孔（D=4mm）時(shí)在表面刻劃的環(huán)形圖案

3 結(jié)束語(yǔ)

       本文從飛秒激光加工工藝研究出發(fā)，分析了針孔掩模加工技術(shù)對(duì)聚焦點(diǎn)處飛秒激光空間傳輸特性的影響。發(fā)現(xiàn)聚焦物鏡前加小孔時(shí)，激光刻痕或焦點(diǎn)附近束腰變化趨緩；脈沖能量大小只影響刻痕線寬大小。本研究得到了飛秒激光深孔加工的優(yōu)化參數(shù)，利用該方法可實(shí)現(xiàn)在銅箔表面進(jìn)行透射型金屬光柵器件的刻劃。