飛秒（miǎo）激光開始應用到微納加工領域始於20世紀90 年代（dài）初[1]。正是由於飛（fēi）秒激光具有持（chí）續時間短及高脈衝功率密度的特性（xìng），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，規則的加工邊緣（yuán），層（céng）層微加工以及可加工任何材料等[2~5]。最近（jìn）研究結果表明：飛秒激光微細加工在微光學、微電子、微機械、微生物、微醫學等多個領域具有（yǒu）潛在的應（yīng）用價值[2~10]。不同學科、不（bú）同實驗具有不同的具體要（yào）求，這（zhè）就需要采取相（xiàng）應（yīng）的加工手段來實現特定加工目的，因此飛秒激（jī）光深孔加工（gōng）技術等加工（gōng）工藝開始引起（qǐ）越來越多研究者的重視[5,9,10]。

      激光整形技術是指在激（jī）光腔內或腔外采用光學元件改變（biàn）光束形態實現光束整形。飛秒激光脈衝整形有別於傳統整形概念，主要是（shì）在保留原有高峰值功率特性基礎上，在光（guāng）路中引入擴束器、濾波器以及衍射模板等光學器件，達到縮小聚焦尺寸、去除高斯光束周圍（wéi）熒光成分、減（jiǎn）少脈衝形變（biàn）及多種形狀（zhuàng）加工等目的。常用的是空間濾波（bō）和掩模（mó）控製技術[11，12]。空間濾波是實現對光束邊緣熒光的屏蔽效用，實現聚集點光學質量的改善，掩模控製是通過掩模形狀來實（shí）現對脈衝（chōng）的調製，以達到確定的加工目的。

      本文采用聚焦物鏡與接收（shōu）材料同步運（yùn）動的方法，可以很（hěn）容（róng）易地將焦點前後脈衝的空間形態在材料表麵以二維平麵圖形式表（biǎo）示出來。在（zài）聚焦物鏡前加小孔掩模板，通過小孔直徑及小（xiǎo）孔前後脈衝能量的變化，可直觀觀察到光束空間形態的改變。最後（hòu），實驗選取（qǔ）合適參數，成功（gōng）刻劃出（chū）邊緣光滑的透射型金屬光柵。

      1 實（shí）驗裝置（zhì）及方法

      實驗設備采用的是Clark 公司飛秒激光加工工作台（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，在光路上加衰（shuāi）減片可以調整脈衝（chōng）能量，聚焦前光斑直徑5mm；掩模小（xiǎo）孔直徑可（kě）調（diào）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（mó）小孔（kǒng）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同（tóng）步運動的方法，將焦點前後脈衝的空間形（xíng）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 所示。

      物鏡由平台承載做軸向（Z 軸（zhóu））移動，材料由X-Y 軸承載，同步運行（háng）Z 軸和X 軸就能夠將焦點附近軸向範圍內達到（dào）材料閾值的長度在（zài）金膜上記（jì）錄下來，焦點位置是從材料表麵之上移到材料內部，與此相對應，圖像中是由右到左。結果可以和（hé）瑞利長度相比較進行分析。

      2 實驗結果分析

      通常的，如果知道激光中心（xīn）波長0λ ，透鏡的（de）焦距f 和入射光在透（tòu）鏡前表麵處的束腰半徑ω ，就可以得到（dào）瑞利（lì）長度R z ，瑞利長度的（de）表達式為：

      2zR = nπω0 /λ0 （1）

      式中： 0 0 ω = λ f / πω ，為焦點處束腰半徑。由於實驗采用（yòng）的是物（wù）鏡，從有效工作距離較難推出真正的（de）束腰半徑，實驗（yàn）中0ω 采用刀口法測量了焦點處束腰半（bàn）徑值為11.5 μm[13]，所以5×顯（xiǎn）微物鏡瑞利長度約為0.54 mm。

      而焦點附（fù）近軸向範圍內光束半徑ω(z)的變化是與瑞利長（zhǎng）度和（hé）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（biàn）圖1 中針孔直徑大（dà）小，觀察焦（jiāo）點附近光軸方向所能實現（xiàn）燒蝕（shí）區域的變化情況，分別采用保持（chí）針孔前（qián）和針孔後脈（mò）衝能量不變的兩種（zhǒng）情形，在金膜表麵（miàn）記錄下焦點附近光束傳輸形態。圖3 為上述兩種情形（xíng）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（fèn）別為91.7 μJ，Z 軸（zhóu）和（hé）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（yǐ）看出，不加針孔（開孔）時，燒（shāo）蝕區域（yù）在焦點附（fù）近基本為（wéi）對稱分布（bù），且偏離焦點位置時，燒蝕線寬（kuān）迅速增加，成紡錐型分布。隨著小孔加入，通光尺寸變小，燒蝕區域（yù）線性尺度逐漸（jiàn）降（jiàng）低，聚焦點位置（zhì）與（yǔ）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 的情況）。改（gǎi）變脈衝能量而保證小孔後（hòu）的能量一致，燒蝕現象沒有明顯（xiǎn）差異（見圖3（b）），隻是（shì）燒蝕（shí）線寬有所加大。上述現象通（tōng）過（guò）式（1）和（2）可（kě）以很好的解釋（shì）：加入小孔後，由於孔徑的限製，使得照射到（dào）透（tòu）鏡表麵束腰半徑ω 減小，造成（chéng）焦點處的束腰半（bàn）徑（jìng）0ω 有所增加，瑞利長度R z 變大，因而在式（2）中（zhōng），焦點附近束腰半（bàn）徑（jìng）ω（z）隨z 的變化比不加小孔（kǒng）時減弱，宏觀上就得到了圖3 中比較平緩的加工結果。

      圖 4 和圖5 分別給（gěi）出了開孔以及小（xiǎo）孔直徑分（fèn）別為4 mm、3 mm、2 mm 時不同脈衝能量下（小（xiǎo）孔前測得）焦點附近燒蝕形態的變化，Z、X 軸行（háng）程仍為600 μm。隨著（zhe）小（xiǎo）孔直徑的減小（xiǎo），透過小孔後（hòu）的脈衝能量將會低於材（cái）料燒蝕閾值。因此，在（zài）圖（tú）5（a）和圖5（b）中隻有4 條燒蝕痕跡，甚至圖5（c）中（zhōng）隻存在3 條燒蝕線。

      從圖4 和圖5 中可以（yǐ）看出，單脈衝能量較低時，不管是開孔還（hái）是一定針孔（kǒng）作用下（xià）焦（jiāo）點（diǎn）附近脈衝形狀不存在明顯紡錐型（xíng）分布（bù），但加針孔後焦點附近光束半徑變化還是舒緩了很（hěn）多，較（jiào）利於（yú）進一步做深孔加工與切割方麵的研究；隨（suí）著（zhe）針孔直徑的降低，能夠實現燒蝕的區域在明顯減小（小於瑞利長度），這主（zhǔ）要是針孔限製了大部分能量到達材料表麵；小孔直徑為4 mm 時，脈衝傳輸形狀（zhuàng）受激光能量的影響相對較（jiào）小；與圖3 類似，實驗另一個現象就是（shì）隨著針孔孔徑的減小，聚焦區域的最（zuì）小束腰半（bàn）徑處（chù）向靠近透鏡方向移（yí）動，這一點可以用聚（jù）焦束腰半徑（jìng）與聚焦前束腰與透鏡前表麵距離的變化關係來（lái）很（hěn）好（hǎo）解釋（shì）[14]。

      利用上述實驗結果，實驗采用開孔（kǒng）與針（zhēn）孔直徑為4 mm（單（dān）脈衝能量為90 μJ）兩種情況（kuàng）分（fèn）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7、9 比較可知：采用（yòng）加小孔後使得焦（jiāo）點附近激光束腰半徑或（huò）激光痕跡變化舒（shū）緩特性加工出（chū）的結果燒蝕邊界更加清晰、無裂痕。圖10 給出的是在（zài）銅箔表麵刻劃的邊（biān）緣相對光滑兩條光柵條紋。這一技術利於飛秒激光進行高縱深比深（shēn）孔微（wēi）器件（jiàn）加工應用，實驗（yàn）的進一（yī）步應用研究工作正在進行中（zhōng）。

      3 結束語

      本文從飛秒激（jī）光加工工（gōng）藝研究出發，分析了針孔掩模加工技術（shù）對聚焦點處飛秒激光（guāng）空間傳輸（shū）特性的影響。發現聚焦物鏡前加小孔時，激（jī）光刻痕或焦點附（fù）近束腰變化趨緩；脈衝能量大小隻影響刻痕線寬大小。本（běn）研究得到了飛秒激光深孔加工的優（yōu）化參數，利用該方法可實現在銅箔（bó）表麵進行透射型金屬（shǔ）光柵器件的刻（kè）劃。