(1)什么是飛秒激光

激光器作為20世紀最偉大的發明之一，因激光具有方向性、單色性好以及具有良好相干性等特點，在諸多領域有著重要的應用。

20世紀70年代人們首次在染料激光器中實現了飛秒量級的激光脈沖。隨著90年代初克爾透鏡鎖模飛秒鈦寶石激光器的出現，促進了飛秒激光技術的快速發展，表現為脈寬的縮小以及峰值功率的提升。

什么是飛秒？想象一下，光在如此短的時間，能跑多遠？

假設地球上有個人將激光筆對著月亮，大概1.3秒后，激光就會達到月球表面。當然得理想化一點，光沒有散射或損耗。而對于1皮秒的時間，光也就只能走頭發絲打個結的距離了。

1秒(s) =10E0s=1s;

1納秒(ns) =10E-9s=0.000 000 001s;

1皮秒(ps) =10E-12s=0.000 000 000 001s;

1飛秒(fs) =10E-15s=0.000 000 000 000 001s;

從激光器的功率變化來看，飛秒激光技術經歷了三代的發展。第一代是20世紀70年代發明的染料激光器，其脈沖寬度可縮短到幾十飛秒，然而由于儲能能力的限制，此時的脈沖能量只有微焦，峰值功率只有兆瓦。

隨著80年代寬帶固體激光介質的出現，尤其是鈦寶石激光介質，將飛秒激光技術推進到第二代。

2018年諾貝爾物理學獎的獲得者Strickland和Mourou提出的啁啾脈沖放大技術（CPA）使得激光的峰值功率可達拍瓦（PW,1PW=1015W）。

啁啾脈沖放大技術是超高峰值功率超短脈沖激光技術發展的一個重要里程碑,直接推動了超強超短激光和強場激光物理等研究領域的誕生，同時也推動了阿秒脈沖的產生。

第三代飛秒激光技術前沿技術是光參量啁啾放大技術（OPCPA）,人們不斷向著高峰值功率以及高平均功率激光發起挑戰。飛秒激光的脈沖寬度從幾飛秒到幾百飛秒不等，可以在理想的區域內可控誘導材料發生化學和物理變化。

飛秒激光的脈沖時間短，能夠抑制激光作用區域周圍的熱影響區的產生，因而可以實現材料的高質量加工。這是由于飛秒激光的脈寬小于光與物質相互作用中電子聲子的耦合時間（1-100ps），此時激光能量大部分被電子所吸收并迅速轉移給晶格，而沒有熱擴散損耗。因此，飛秒激光輻照區周圍的熱擴散可以忽略，下圖(a)是傳統激光器加工時材料的熱影響，圖(b)是采用飛秒激光加工時材料的熱影響區。

1996年Chichkov等人分別使用納秒、皮秒以及飛秒激光在厚度為100微米的鋼材上進行打孔。結果表明飛秒激光制備的孔熱影響區最小，制備結構表面質量最高。

飛秒激光還具有超高的瞬時脈沖能量和高光子密度，可實現材料的非線性多光子吸收。下圖顯示了誘導電子激發的單光子和多光子吸收過程。

傳統的線性的光吸收即單光子吸收，當材料的帶隙小于單個光子的能量時，此時材料吸收單個光子使得一個電子由價帶被激發到導帶。若單個光子的能量小于材料帶隙時，線性條件下則無法激發電子從而沒有吸收過程。然而，當入射到材料的光子密度極高時，即具有極高的光強。此時盡管光子能量小于帶隙，電子也能夠被多個光子激發，進而從價帶激發到導帶。此過程即為多光子吸收過程。飛秒激光因其超高的峰值功率以及高光子密度可實現材料的多光子吸收。因此，即便是對光透明的材料飛秒激光也能發生強烈光吸收進而實現加工。值得一提的是，多光子吸收需要多個光子才能使電子發生躍遷，因此只有激光強度超過一定閾值才能對材料發生作用。這一非線性吸收特性使得飛秒激光能夠在透明材料內部進行輻照改性，因此飛秒激光具有強大的三維加工能力。

除此之外，飛秒激光具有超越衍射極限的加工精度。由于飛秒激光在輻照過程中的熱擴散過程可以被忽略，因而其加工區域則被限制在光斑尺寸范圍內。在相同波長下同單光子吸收相比，多光子吸收可進一步增強空間分辨率。

研究表明，多光子吸收過程中多光子吸收階數n與有效光束尺寸d的關系為：

其中d0為聚焦光束的實際尺寸。

因此對于多光子吸收過程，光束尺寸會隨著多光子吸收階數的增大而減小。因此非線性多光子吸收可以實現亞衍射極限的空間分辨率。同時飛秒激光具有較廣的材料選擇范圍。由于飛秒激光非線性吸收的特點，理論上只要脈沖寬度足夠窄，激光能量足夠強，便可實現任意材料的加工。

硬脆材料因其良好的光學特性和物理化學穩定性（高透光率、耐高溫、耐腐蝕、高硬度等特點），可用于各種極端環境。例如，藍寶石在0.3-5μm波長范圍內的透射率大于80%，可在極端環境中承受高溫和高壓，因此在紅外防反射窗口、高溫傳感等領域有著不可或缺的應用。

飛秒激光直寫技術具有精度高、適用材料廣等優點，已被廣泛用于制造復雜的三維微/納米結構。然而，加工硬質材料需要的高激光功率，會增加結構的表面粗糙度，無法滿足器件的高質量需求。為實現硬脆材料表面高質量復雜微納結構的制備，科研人員們提出了刻蝕輔助飛秒激光加工的方式。具體為使用飛秒激光誘導材料改性，在激光改性區域和原始材料之間形成顯著的刻蝕速率差異。然后，通過濕法或干法刻蝕工藝去除改性區域，從而實現材料表面的高質量加工。

(2)干法刻蝕技術

干法刻蝕是半導體工藝中圖案轉移不可或缺的一種方法，它利用刻蝕氣體與材料之間的物理和化學反應來去除材料。有幾種類型：離子束刻蝕（IBE）、反應離子刻蝕（RIE）和電感耦合等離子體（ICP）刻蝕。

在這里我們對硬脆材料的干法刻蝕方法進行了總結，如下表所示。

飛秒激光加工可實現任意圖案掩膜的制備。干法刻蝕后，圖案可以轉移到基底材料上，實現結構的有效制備。

如下圖所示，通過一定的結構設計，干法刻蝕可以有效地制造復雜的真三維結構。研究人員開發了一種角度刻蝕方法，并將其應用于ICP系統，制備出高質量的金剛石三維結構。

此外，研究人員利用雙光子聚合技術在藍寶石表面制備了聚合物微/納米結構，然后通過干法刻蝕將聚合物結構轉移到藍寶石上，實現了藍寶石非平面復雜結構的超平滑制備。

由于干法刻蝕圖形轉寫的高保真性，干法刻蝕輔助飛秒激光加工技術在制備硬脆材料上的微/納米結構方面具有廣闊的應用前景。

(3)濕法刻蝕技術

濕法刻蝕技術旨在通過刻蝕溶液與材料之間的化學反應去除材料。飛秒激光誘導的材料相變會改變材料的化學活性，從而影響刻蝕速率，配合濕法刻蝕技術可實現硬脆材料表面結構加工。

一種材料往往有多種濕法刻蝕方式，在這里我們對常見硬脆材料的濕法刻蝕方式進行了總結，如下表所示。

根據材料以及對應刻蝕條件的不同，濕法刻蝕會表現出各向同性和各向異性的特點。如下圖所示，各向同性刻蝕速率在刻蝕過程中的所有方向上都是相同的，與晶軸和晶向無關。然而，各向異性刻蝕的刻蝕速率往往與晶軸和晶向有關，刻蝕后會出現晶面和位錯。

飛秒激光加工具有很高的自由度，可以在材料內部和表面制造任意的三維結構。利用飛秒激光對材料進行可控相變，可實現材料的定向刻蝕。利用濕法刻蝕輔助飛秒激光加工技術，研究人員在玻璃基底上制作出了各種高縱橫比的三維微流體通道。由于濕法刻蝕具有高選擇性，因此可用于制造高縱橫比結構。濕法刻蝕輔助飛秒激光加工技術在硬脆材料的三維微納加工領域有著巨大的應用潛力。

參考文獻：

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