飛秒（miǎo）激光開（kāi）始（shǐ）應用到微納加工領（lǐng）域（yù）始於20世紀90 年（nián）代初[1]。正是由（yóu）於飛秒激光具有持（chí）續時間短及高脈衝功率密度的（de）特性，使得其與物質相互作用時具有許多獨特的優點：確定的燒蝕閾值，規則的（de）加工邊緣，層層（céng）微加工（gōng）以及可加工任何（hé）材（cái）料（liào）等[2~5]。最近研究結果表明：飛（fēi）秒激光微細加工在微光學、微電子、微機械、微生物、微醫學等多（duō）個領域具有潛在的應用價值[2~10]。不（bú）同學科、不同實驗具有不同的（de）具體要求，這就需要采取相應的加工（gōng）手段（duàn）來實現特（tè）定加工目的，因此飛秒激光深孔加工技術等加工工藝開始引起越來越多研究者的（de）重視[5,9,10]。

      激光整（zhěng）形技術是指在激光腔（qiāng）內或（huò）腔外采用光學元件改變光束形態實現光束整形。飛秒激光脈衝整形有別（bié）於（yú）傳統整形概（gài）念，主要是在保（bǎo）留原有高峰值功率特性基礎上，在光（guāng）路中引（yǐn）入擴束器、濾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）斯光束周圍熒光成（chéng）分、減少脈衝（chōng）形變及多種形狀加工等目的。常用（yòng）的是（shì）空間濾波和掩模控（kòng）製技（jì）術[11，12]。空間濾波是實現對光束邊緣熒光的屏蔽效用，實現聚集點光學（xué）質量的改善，掩（yǎn）模控製是通過掩模形狀來實現對脈衝的調製，以達到確定的加工目的。

      本文（wén）采用聚焦物鏡與接收材料同步運動的方法，可以很容易（yì）地將焦點前後脈衝的空間（jiān）形態在材料表（biǎo）麵以二維平麵圖（tú）形式表示出來。在聚（jù）焦物鏡前加小孔掩模板，通過小孔直徑及小孔前後脈衝能量的（de）變化，可直觀觀察到光束空間形態的改變。最後，實驗選取合適參數，成（chéng）功刻劃出邊緣光滑的透（tòu）射型金屬光柵。

      1 實驗裝置及方法（fǎ）

      實驗設備采用的是Clark 公司飛秒激光（guāng）加工工作台（tái）（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（chōng）能量1 mJ，在光路上加衰減片（piàn）可以調整脈衝（chōng）能量，聚焦前光斑直徑5mm；掩模小孔直徑可調範圍為0.5~10 mm；接（jiē）收材料為噴濺（jiàn）法鍍在溶石英基片（piàn）上的金膜（厚度約為300 nm）。飛秒激光經掩模小孔後由5×顯微物鏡（有效焦距為40 mm）聚焦金膜表麵。采用物鏡與接收平台（tái）同步運動的方法，將焦點前後脈（mò）衝的空間形態以二維平麵圖形式在金膜表麵顯示出來；加工結果采用透射式光學顯微鏡和SEM進行分析測試。實驗裝置如圖1 所（suǒ）示。

      物鏡由平台承載做軸向（Z 軸）移動，材（cái）料由X-Y 軸承載，同步運行Z 軸和X 軸就能夠（gòu）將（jiāng）焦點附近軸向範（fàn）圍內達到材料閾值的長度在金膜上記錄下來，焦（jiāo）點位置（zhì）是從材料表麵（miàn）之上移到材料內部，與此相對應（yīng），圖像中是由右到左。結果（guǒ）可以和瑞利長度相比（bǐ）較進行分析。

      2 實驗結果分析（xī）

      通（tōng）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麵處的束腰半徑ω ，就可以（yǐ）得（dé）到瑞利長度R z ，瑞利長度的表達式為（wéi）：

      2zR = nπω0 /λ0 （1）

      式中（zhōng）： 0 0 ω = λ f / πω ，為焦點處束腰半徑。由於實驗采（cǎi）用的是物鏡，從有效工作（zuò）距離較難（nán）推出真（zhēn）正的（de）束腰半徑，實驗中0ω 采用刀口法測量了焦點處束腰半徑值為（wéi）11.5 μm[13]，所以（yǐ）5×顯微（wēi）物鏡瑞利長度約為0.54 mm。

      而焦點附近軸向範圍內光束半徑ω(z)的變化是與瑞利長度和焦點處束腰半徑有關的函數，如圖2 所示，其表達式為：

      實驗通過改變圖1 中針孔直徑大小，觀察焦（jiāo）點（diǎn）附近光（guāng）軸方向所能實現燒蝕（shí）區域的變化情況（kuàng），分（fèn）別（bié）采用保持針孔前和針孔（kǒng）後脈衝能量不變的兩種情形，在金膜表麵記錄下焦點附（fù）近（jìn）光束傳輸形態。圖3 為上述（shù）兩種（zhǒng）情形下顯微圖像。其中，Z 軸和X 軸運行（háng）速度均為0.3 mm/s，單脈（mò）衝能量在小孔前後（hòu）分別為91.7 μJ，Z 軸和X 軸行程均為600μm，圖（tú）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（bú）加針孔（開孔）時，燒蝕區（qū）域在焦點（diǎn）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（jiā），成紡錐型分布。隨著小孔加入，通光尺寸變小，燒蝕區域線性尺度逐漸降低，聚焦點位置與兩翼燒蝕線寬差異明顯減少，甚至有遠離透鏡跡象（見針孔直徑為2 mm 的（de）情況）。改變脈衝能量而保證小孔後的能量一致，燒蝕現象沒有明顯差異（見圖3（b）），隻是燒蝕線（xiàn）寬有（yǒu）所加大。上述現象通過式（1）和（2）可以很好的解釋：加入（rù）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，造成焦點處的束腰半徑0ω 有所增加，瑞利長度R z 變大，因而在（zài）式（2）中，焦（jiāo）點附近（jìn）束腰半徑（jìng）ω（z）隨z 的變化比不（bú）加小孔時減弱，宏（hóng）觀上（shàng）就（jiù）得到了圖3 中比較平（píng）緩的加（jiā）工（gōng）結果。

      圖 4 和（hé）圖5 分別給出了開孔以及小孔直徑（jìng）分別為4 mm、3 mm、2 mm 時不同脈衝能量下（小孔前測得）焦點附近（jìn）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，在圖5（a）和圖5（b）中隻（zhī）有4 條（tiáo）燒蝕痕跡，甚至圖5（c）中隻存在3 條燒蝕（shí）線。

      從圖（tú）4 和圖5 中可以看出，單脈衝能量較低時，不管是開孔還是一定針孔作（zuò）用下焦點附近脈衝形狀（zhuàng）不存在明（míng）顯紡錐型分布，但加針孔後焦點附近光束半徑變（biàn）化還是舒緩了很多，較利於進一步做深孔加工與（yǔ）切割方麵的研究；隨著針孔直徑（jìng）的降低，能夠實現燒蝕的（de）區域在明顯減小（小（xiǎo）於瑞利長度（dù）），這主（zhǔ）要是針孔（kǒng）限製了大部分能量到達材料表麵；小孔直徑為4 mm 時，脈衝（chōng）傳輸形狀受（shòu）激光能量的影響相對（duì）較小；與圖（tú）3 類（lèi）似（sì），實驗另一個現象就是隨著針孔孔徑（jìng）的減小，聚焦區域的最小束（shù）腰半（bàn）徑處向靠近透鏡（jìng）方向移動，這一點可以（yǐ）用聚焦束腰半徑與聚焦前（qián）束腰與透鏡前表麵（miàn）距離的變化關係來很好（hǎo）解釋[14]。

      利用上述實驗結果，實驗采用（yòng）開孔與針孔直徑為4 mm（單脈衝能量（liàng）為90 μJ）兩（liǎng）種情況分別（bié）對金膜和不鏽（xiù）鋼板進行（háng）打孔加工（gōng），得到的圖像如圖6~10 所示。

      圖（tú）6、8 與圖7、9 比較可知：采用加小孔後使得焦點附近（jìn）激（jī）光束腰半徑或激光痕跡變化舒緩特性加工出的結果燒蝕邊界更（gèng）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。這一技術利於飛秒（miǎo）激光進行高縱深（shēn）比深孔微器件加工應用，實驗的進一步（bù）應用研究工作正在進行中。

      3 結束語

      本文從飛秒激光加工工藝研究出發，分析了針孔掩模加工技術對聚（jù）焦點處飛（fēi）秒激光空間傳輸特性的影響。發現聚焦物（wù）鏡（jìng）前加小孔時，激光刻痕或（huò）焦點附（fù）近束腰變（biàn）化趨緩；脈衝能量大（dà）小隻影響刻痕線寬大小。本研究（jiū）得到了飛秒（miǎo）激（jī）光深孔加工的優化參（cān）數，利用該方法（fǎ）可實（shí）現在（zài）銅箔表麵進行透射型金屬光柵器件的刻劃。