超短、超強和高聚焦能力是飛秒激光的3大特點。 飛秒激光脈寬可短至4 fs(1 fs=10^-15 s)以內…，峰值 功率高達拍瓦量級(1 Pw=10¹⁵w)聚焦功率密度達到10²⁰-10²² W／cm²。飛秒激光可以將其能量全部、快速、準確地集中在限定的作用區(qū)域，實現對玻璃、陶瓷、半導體、塑料、聚合物、樹脂等材料的微納尺寸加工，具有其它激光加工無法比擬的優(yōu)勢：①耗能低，無熱熔區(qū)，"冷"加工；②可加工的材料廣泛：從金屬到非金屬再到生物細胞組織，甚至是細胞內的線粒體；③高精度、高質量、高分辨率，加工區(qū)域可小于焦斑尺寸，突破衍射極限；④對環(huán)境沒有特殊要求，無污染。飛秒激光微加工是當今世界激光、光電行業(yè)中極為引人注目的前沿研究方向。世界各國學者在飛秒激光與材料相互作用機理研究方面已取得重大的進展，開發(fā)出以鈦寶石激光器為主的飛秒激光微加工系統(tǒng)，開展了飛秒激光微納加工的工藝研究，促進了多學科的融合，推動著飛秒激光微納加工技術向著低成本、高可靠性、多用途、產業(yè)化的方向發(fā)展。飛秒激光微加工技術將在超高速光通訊、強場科學、納米科學、生物醫(yī)學等領域具有廣泛的應用和潛在的市場前景。本文旨在綜述飛秒激光微加工技術國內外的研究狀況，介紹飛秒激光微加工的重要應用，展望其今后的發(fā)展趨勢。
    1 國內外飛秒激光微加工技術研究狀況
    1．1飛秒激光微加工基礎理論的研究
     飛秒激光加工機理的研究、試驗大多是探索陛的，多與長脈沖情形相比較而確定飛秒激光的燒蝕特性，在一定程度上解釋了飛秒激光與物質相互作用的物理本質。目前理論研究較系統(tǒng)的材料有金屬和透明介質。
    (1)金屬前蘇聯(lián)Anisimov SI等人于1975年第一次提出了超短脈沖燒蝕金屬材料的雙溫模型。該模型從一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導方程出發(fā)，考慮到超短脈沖作用時，存在光子與電子、電子與晶格兩種不同的相互作用過程，列出了電子與晶格的溫度變化微分方程，即雙溫方程。一些學者以該模型為基礎，在不同的激光脈寬下對雙溫方程進行約化，求得解析解"-。發(fā)現當激光脈寬遠遠小于晶格的受熱時間時，燒蝕時間不依賴于激光脈寬。試驗得到的金屬銅材料的燒蝕速率與雙溫模型基本一致。1999年，Falkovsky L A和Mishchenko E G基于玻爾茲曼方程和費米狄拉克配分函數提出熱電子爆炸模型來描述金屬材料中的超快形變。2002年，chen J K等人綜合雙溫模型及電子爆炸模型，假定單軸應變三維高壓條件，提出了一系列相關聯(lián)的瞬時熱彈性變形方程。數值結果表明，超短激光脈沖燒蝕過程中，非熔融態(tài)損傷占支配地位，這種非熔融態(tài)損傷的主要動力來源于熱電子爆炸力。
   (2)透明介質 1990年，Hand D P和RusseU P St J根據K-K(Kmmers-Kronig)因果關系提出了色心模型，該模型的前提是假設光敏效應產生于缺陷處局域電子的激發(fā)。在一定范圍內解釋了折射率變化的原因。但RusseU、Williams等人分別通過吸收光譜測量及進行K．K變換發(fā)現得到的折射率變化與實驗結果有兩個數量級的差異。隨后有學者提出了偶極模型、壓力模型、應力壓縮模型等。1997年，哈佛大學Maur E領導的小組研究了飛秒激光在熔融SiO2、BK7光學玻璃等透明材料內部產生的微爆炸現象。除化學氣相沉積金剛石外，均導致了直徑為亞微米的立體像素，通過分析表明：飛秒激光在透明介質中引發(fā)的強烈自聚焦效應使激光焦斑尺寸小于衍射極限，微爆炸形成一個微腔，腔周圍是高密度材料。2002年，德國Henyk M等人分析了飛秒激光燒蝕藍寶石，表明燒蝕的基本過程是由于表面爆炸即庫侖爆炸所引起的。另外，該小組還研究了飛秒激光燒蝕NaCl及BaF2等寬帶隙晶體材料，同樣證實了庫侖爆炸的合理性。2003年，Egidijus Vanaga8等人采用納焦能量的飛秒激光在硼酸硅玻璃形成丘狀納米結構，燒蝕機理與庫侖爆炸相一致。丘狀燒蝕物沒有明顯的熔融和環(huán)形凹痕，受損部位的橫向尺寸小于聚焦樣品表面的焦斑4至5倍，這與多光子效應所導致的破壞機理相一致�？傊�，關于飛秒激光與材料相互作用的物理機制， 目前還沒有一個統(tǒng)一的看法，這個問題仍然是未來研究的熱點。
    1．2飛秒激光微加工系統(tǒng)的發(fā)展現狀
     飛秒激光出現以來，啁啾脈沖放大、以鈦寶石晶體為主的增益介質、克爾透鏡鎖模。和半導體可飽和吸收鏡等技術促使著它從染料激光器發(fā)展到自啟動克爾透鏡鎖模激光器，以及后來的二極管泵浦全固態(tài)飛秒激光器和飛秒光纖激光器。為滿足科研和生產進一步發(fā)展的要求，國內外學者仍然致力于飛秒激光器研究，紛紛搭建起微加工系統(tǒng)。飛秒激光系統(tǒng)由振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器4部分組成。表1是近年來國內外最具有代表性的飛秒激光器、微加工系統(tǒng)。從表l可以看出：①輸出脈寬大約幾百飛秒，真正短到幾飛秒的甚少，因而平均功率較低，限制了它在商業(yè)中的應用，生產效率較低；②工作穩(wěn)定性提高，壽命延長，如暢銷全球的CPA-21××系列的種子光有20年的平均無故障時間；③實現MHz的重復頻率輸出；④可調諧波長范圍變廣，加工精度、光束質量較高；⑤利用它的超快特性，逐漸實現三維精細加工。但飛秒激光系統(tǒng)在小型化、可調可控性、實用性、全光纖等方面還有很大的發(fā)展空間。
     另外，對比國內外的發(fā)展狀況，可以看出國內存在的差距：①國內生產飛秒激光器、微加工系統(tǒng)的知名公司較少；②完全用國產元件搭建的飛秒激光系統(tǒng)甚少；③國內飛秒激光微加工基本上停留在實驗室研究階段，真正用于超快、微加工領域實際生產的極少。
   

    2 飛秒激光微加工技術的應用
    2．1飛秒激光加工微結構
    基于能量高度集中、熱影響區(qū)小、無飛濺無熔渣、不需特殊的氣體環(huán)境、無后續(xù)工藝、雙光子聚合加工精度可達0．7μm等優(yōu)勢，飛秒激光在誘導金屬微結構加工應用方面和精細加工方面都取得了很大的進展。
     (1)孔加工在1mm厚的不銹鋼薄片上，飛秒激光進行了具有深孔邊緣清晰、表面干凈等特點的納米級深孔加工(如圖1a)；在金屬薄膜上，鈦寶石飛秒激光加工制備出了微納米級陣列孔(如圖1b)，孔徑最小達2.5μm，孔直徑在2．5～10μm間可調，最小間距可達10μm，很容易實現10-50μm間距調整。
   

    (2)金屬材料表面改性1999年，德國漢諾威激光中心Nolte S等人首次報道了結合鈦寶石飛秒激光三倍頻光(260 nm)和SNOM(掃描近場光學顯微鏡)在金屬鎘層制出了線寬僅200 nm的凹槽。為以后的無孔徑近場掃描光學顯微鏡(ANSOM)取代SNOM奠定了基礎，獲得了高達70 nm的空間分辨率，開拓了遠場技術在納米范圍下的物理化學特性以及輸運機制的研究。