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      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[1]。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[2~5]。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[2~10]。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)的加工手段來實(shí)現(xiàn)特定加工目的，因此飛秒激光深孔加工技術(shù)等加工工藝開始引起越來越多研究者的重視[5,9,10]。

      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，在光路中引入擴(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)[11，12]。空間濾波是實(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，掩模控制是通過掩模形狀來實(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。在聚焦物鏡前加小孔掩模板，通過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775 nm，脈寬148 Fs，重復(fù)頻率1 kHz，最大單脈沖能量1 mJ，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0.5~10 mm；接收材料為噴濺法鍍?cè)谌苁⒒系慕鹉ぃê穸燃s為300 nm）。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；加工結(jié)果采用透射式光學(xué)顯微鏡和SEM進(jìn)行分析測試。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。

      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)到材料閾值的長度在金膜上記錄下來，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0λ ，透鏡的焦距f 和入射光在透鏡前表面處的束腰半徑ω ，就可以得到瑞利長度R z ，瑞利長度的表達(dá)式為：

      2zR = nπω0 /λ0 （1）

      式中： 0 0 ω = λ f / 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0ω 采用刀口法測量了焦點(diǎn)處束腰半徑值為11.5 μm[13]，所以5×顯微物鏡瑞利長度約為0.54 mm。

      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：

      實(shí)驗(yàn)通過改變圖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0.3 mm/s，單脈沖能量在小孔前后分別為91.7 μJ，Z 軸和X 軸行程均為600μm，圖中由上至下針孔直徑依次為∞、4 mm、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（見針孔直徑為2 mm 的情況）。改變脈沖能量而保證小孔后的能量一致，燒蝕現(xiàn)象沒有明顯差異（見圖3（b）），只是燒蝕線寬有所加大。上述現(xiàn)象通過式（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0ω 有所增加，瑞利長度R z 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 4 和圖5 分別給出了開孔以及小孔直徑分別為4 mm、3 mm、2 mm 時(shí)不同脈沖能量下（小孔前測得）焦點(diǎn)附近燒蝕形態(tài)的變化，Z、X 軸行程仍為600 μm。隨著小孔直徑的減小，透過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，單脈沖能量較低時(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)一步做深孔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)域在明顯減小（小于瑞利長度），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4 mm 時(shí)，脈沖傳輸形狀受激光能量的影響相對(duì)較小；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)系來很好解釋[14]。

      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4 mm（單脈沖能量為90 μJ）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、8 與圖7、9 比較可知：采用加小孔后使得焦點(diǎn)附近激光束腰半徑或激光痕跡變化舒緩特性加工出的結(jié)果燒蝕邊界更加清晰、無裂痕。圖10 給出的是在銅箔表面刻劃的邊緣相對(duì)光滑兩條光柵條紋。這一技術(shù)利于飛秒激光進(jìn)行高縱深比深孔微器件加工應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步應(yīng)用研究工作正在進(jìn)行中。

      3 結(jié)束語

      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。