飛秒激光開始應用到微納加工領域始於20世紀90 年代初[1]。正是（shì）由於飛秒激光具有持續時間短及高脈衝功率密度的特性，使得其與（yǔ）物質相（xiàng）互作用時具有許多獨（dú）特的優點：確（què）定（dìng）的燒蝕閾值，規則（zé）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（fēi）秒激光微細加（jiā）工（gōng）在微光學、微電子（zǐ）、微機械、微（wēi）生物、微醫（yī）學等多個領域具有潛在的應用（yòng）價值[2~10]。不同學科、不同實驗具有（yǒu）不同的具體要求，這就需要采取相應的加工手段（duàn）來實現特定加工目的，因此飛秒激光深孔加工技術（shù）等（děng）加工工藝開始引起越來越多研究者的重視[5,9,10]。

      激光整（zhěng）形技術是指在激光腔內或腔外采用光學元件改（gǎi）變（biàn）光束（shù）形態實現光束整形。飛（fēi）秒激光脈（mò）衝整形有別於傳統（tǒng）整形概念，主要是在保留原有高峰值功率特（tè）性基礎上（shàng），在光路中引入擴（kuò）束器、濾（lǜ）波器以及衍射模板等光學器件，達到縮小聚焦尺寸、去除高（gāo）斯（sī）光束周圍熒光成（chéng）分、減少脈衝形變（biàn）及多種形狀加工等目的（de）。常用的是空間濾波和掩模控製技術[11，12]。空間濾（lǜ）波是實現對光束邊緣熒光的屏蔽效用，實現聚（jù）集點光學質量的改善，掩模控製是通過掩模形狀來實現對脈衝的（de）調製，以（yǐ）達到確定的加工目的。

      本（běn）文采（cǎi）用聚焦物（wù）鏡與接收材料同步運動的方法，可以很容易地將焦點（diǎn）前後脈衝（chōng）的（de）空間形態（tài）在材料表麵以二維平麵圖形式表示出來。在聚焦物鏡前加小孔掩模板（bǎn），通過小孔直徑及小孔前（qián）後脈衝能（néng）量的變化，可直觀觀察（chá）到光束空間形態的改變（biàn）。最後，實驗選取合適參數，成功（gōng）刻劃出邊緣光滑的透（tòu）射型金屬（shǔ）光柵。

      1 實驗裝置及方法

      實驗設備采用的是Clark 公（gōng）司飛秒激光加（jiā）工工作台（UMW-2110i，Clark-MXR Inc.）。激光具體參數為：中心波長775 nm，脈寬148 Fs，重複頻率1 kHz，最大單脈衝能量1 mJ，在光路（lù）上（shàng）加衰減（jiǎn）片可以調整（zhěng）脈衝能量（liàng），聚焦前光（guāng）斑直徑5mm；掩模小孔直徑可調範圍為0.5~10 mm；接收材料為噴濺法鍍在溶石英基片上的金膜（厚度約為300 nm）。飛秒激光經掩模小孔後由5×顯（xiǎn）微物鏡（jìng）（有（yǒu）效焦距為40 mm）聚焦金膜表麵。采用物鏡與接收（shōu）平台同（tóng）步運動（dòng）的方法，將焦點（diǎn）前後脈衝的空間（jiān）形態以二維平麵圖形式在金膜表麵顯示出來；加工（gōng）結果采用透射式光學顯微鏡和SEM進行分析測試。實驗（yàn）裝置如（rú）圖1 所示。

      物鏡由平台承（chéng）載做軸向（Z 軸）移動，材料由X-Y 軸（zhóu）承（chéng）載，同步運行Z 軸和X 軸（zhóu）就能夠將焦點附近軸向範圍內達到材料閾值的（de）長度在金膜上記錄下來（lái），焦點位置是（shì）從材料表麵之上移到（dào）材料內部，與此相對應，圖像中是由右到（dào）左。結果可以和瑞利長度相比較進（jìn）行分析。

      2 實驗結果分（fèn）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（zài）透鏡前表麵處的束腰半徑ω ，就可以得到（dào）瑞（ruì）利長度R z ，瑞利（lì）長度的表達式為：

      2zR = nπω0 /λ0 （1）

      式中： 0 0 ω = λ f / πω ，為（wéi）焦點處束腰半徑。由於實驗采用的是物（wù）鏡，從有（yǒu）效工作距離（lí）較難推出真正的（de）束（shù）腰半徑，實驗中0ω 采用刀口法測量了焦點處束腰半徑值為11.5 μm[13]，所以5×顯微物（wù）鏡瑞利（lì）長度約為0.54 mm。

      而焦點（diǎn）附近軸向範圍內光（guāng）束半徑ω(z)的變化是與（yǔ）瑞利長（zhǎng）度和焦（jiāo）點處束腰半（bàn）徑有關的函數，如圖2 所示（shì），其表達式為：

      實驗通過改變圖1 中（zhōng）針孔（kǒng）直徑（jìng）大小，觀察焦點附近光軸方向所能實現燒蝕（shí）區域的（de）變化情況，分（fèn）別采用保（bǎo）持針孔（kǒng）前（qián）和針（zhēn）孔後（hòu）脈衝能量不變的兩種情形（xíng），在金膜表麵記錄下焦點附（fù）近光（guāng）束傳輸形態。圖3 為上述兩種情形下顯微圖像。其中，Z 軸和X 軸運行速度均為0.3 mm/s，單脈衝能量（liàng）在小孔前後分別為（wéi）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（cóng）圖3（a）可以看出，不加針孔（開（kāi）孔）時，燒蝕區（qū）域在焦點附近基本為對稱分布，且偏離焦點位置時，燒蝕線寬迅速增加，成紡錐型分布。隨（suí）著小孔加入，通光尺寸變小，燒蝕（shí）區域線（xiàn）性尺度逐漸降低，聚焦點位置與兩翼燒蝕線寬差異（yì）明顯減少，甚至有遠離透鏡跡象（見（jiàn）針孔直（zhí）徑為（wéi）2 mm 的情況）。改變脈衝（chōng）能量而保證小孔後的（de）能（néng）量一致，燒蝕現象沒有明顯差（chà）異（見圖3（b）），隻是燒蝕線寬（kuān）有所加大。上述現象通過式（1）和（2）可（kě）以很好的解釋（shì）：加（jiā）入小孔後，由於孔徑的限製，使得照射到透鏡表麵束腰半徑ω 減小，造成（chéng）焦點處的束腰半徑0ω 有所（suǒ）增加，瑞利長度R z 變（biàn）大，因而在式（2）中，焦點附近束腰半徑ω（z）隨z 的變化比不加小孔時減弱，宏觀上就得到了圖3 中比較平緩（huǎn）的加工結果。

      圖 4 和圖5 分別給出了開孔以及小孔直徑分別為（wéi）4 mm、3 mm、2 mm 時不（bú）同脈衝能量下（小（xiǎo）孔前測得）焦點（diǎn）附近燒蝕形態的變化，Z、X 軸行程仍為600 μm。隨著小孔直徑的減小，透過小孔後的脈衝能量將會低於材料燒蝕閾值。因此，在（zài）圖5（a）和圖5（b）中隻（zhī）有4 條燒蝕痕跡，甚至圖5（c）中隻（zhī）存在3 條燒蝕線。

      從圖4 和圖5 中可以看出，單脈衝（chōng）能量較低時，不管是開孔還是一定針孔作用（yòng）下焦點附近脈衝形狀不存在明顯紡錐型分布，但加針孔後焦（jiāo）點附近光束半徑（jìng）變化還是舒（shū）緩了很（hěn）多，較利於進一步做（zuò）深孔加工與切割方麵的（de）研究（jiū）；隨著針孔直徑的降低，能夠實（shí）現燒蝕的區域（yù）在明顯減小（小於瑞利長（zhǎng）度），這主要是針孔限製了大部分能量到（dào）達材料表麵；小孔直徑為4 mm 時，脈衝傳輸形狀受激光能（néng）量的影響相對較小；與圖3 類似，實驗另一個現象就是隨著針孔孔徑的減小，聚焦區域的最小束腰半徑處向靠近透鏡方（fāng）向移動，這一點可以（yǐ）用聚焦束（shù）腰半徑與聚焦前束腰與（yǔ）透（tòu）鏡前表（biǎo）麵距（jù）離的變化關係來很好解釋[14]。

      利用上述實（shí）驗結果，實驗采用開孔與針孔直徑為4 mm（單脈衝能量為90 μJ）兩種（zhǒng）情（qíng）況分別對金膜和不鏽鋼板進行打孔加工，得到的圖像如圖6~10 所示。

      圖6、8 與圖（tú）7、9 比較可知：采用加小孔後（hòu）使得焦（jiāo）點附近激（jī）光束腰半徑或激光痕（hén）跡變化舒緩特性加工出的結果燒蝕邊界更加清晰、無裂痕。圖10 給出的是在銅箔表麵刻劃的邊緣相對光滑兩條光柵條紋。這一技術利於飛（fēi）秒激光進行高縱深比深孔微器件（jiàn）加工應用，實（shí）驗的進一步應用研究工作正在進行中。

      3 結束語

      本文從飛秒激光加（jiā）工工藝研究出發（fā），分析了針孔掩模加工技術對聚焦點處飛秒激光空間傳（chuán）輸特性的影響。發現聚焦物鏡前加（jiā）小（xiǎo）孔時，激光刻痕或焦點附近（jìn）束腰變化趨緩；脈衝（chōng）能量大小隻影響刻痕（hén）線寬大小。本研究得（dé）到了飛秒激光深孔加工的優（yōu）化參數（shù），利用該方法可實現在銅箔表麵進行（háng）透射型金屬光柵器件的刻劃。