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时空聚焦技术在飞秒激光微加工领域中的应用

作者:卓知科仪     发布时间:2020年03月13日     阅读次数:578


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新冠病毒还未彻底退散,为了方便大家的学习,很多教授学者们都开通了在线网课,前些天,小编听了华东师范大学的程亚教授的网课,受益匪浅,特整理了部分关于飞秒激光时空聚焦技术微加工方面的知识,分享给各位,给您送去饱满的精神力量!






飞秒激光时空聚焦 

图1 飞秒激光时空聚焦技术的基本原理

F.He,et al,Opt. Lett. 2015:26B2_3 


如图1,飞秒激光时空聚焦技术的基本原理为:先利用一对光栅使脉冲的不同频率分量在空间上展开,引入一定的空间啁啾,再利用物镜进行聚焦,只有在物镜的焦点处,脉冲的不同频率分量在空间上才是重合的, 可以达到傅里叶变换极限的最短脉冲宽度,峰值光强也最高。在偏离几何焦点的位置,由于不同频率分量在空间上分开造成脉冲宽度的展宽,峰值光强会迅速下降。其基本原理如图1所示,可以看出时空聚焦具有在时间域和空间域同时聚焦的效果.值得注意的是,在飞秒激光脉冲进入光栅对(G1-G2)之前,需要引入一定的正啁啾来补偿光栅对引入的负啁啾。

图2  飞秒激光时空聚焦系统光路图

F. He et al, Opt. Lett. 35, 1106 (2010)


图3 传统聚焦和时空聚焦在焦点处的光强分布

F. He et. al,  Opt. Lett. 35,  1106 (2010)


利用时空聚焦新技术:超快激光脉冲在传输过程中不仅空间上被汇聚,同时时间上也被汇聚。在焦点上同时达到最短的脉冲宽度和最高的峰值光强,促进了分辨率的提高。








部分应用 



  1.获得各向同性的加工分辨率


利用飞秒激光时空聚焦技术可以有效地解决飞秒激光微加工中纵向和横向加工分辨率不对称的问题,这一点已经被应用于沿不同的直写方向制备具有圆形截面的微流通道。有实验表明,在合适的实验参数下,无论沿x方向或y方向直写均可获得具有圆形截面的微流通道,说明利用该技术可以实现通过采用单个物镜聚焦获得各向同性的加工分辨率,与狭缝整形或像散整形等光束整形技术相比,该技术不用考虑直写方向,可以在透明材料内部加工出截面为圆形的任意复杂的三维微结构,因而在微流体、微光子学、三维光流集成等研究领域中有广阔的应用前景。

图4 通过3D打印的微流体芯片

图片来源于网络



  2.抑制低数值孔径加工的非线性效应


在传统聚焦的情况下,利用低数值孔径聚焦的情况下实现对较厚透明材料的加工通常是非常困难的。这是由于当焦斑尺寸较大时,其焦深也较长,因而很容易在焦点以外产生自聚焦等非线性效应。在保持脉冲宽度、脉冲能量和焦斑大小不变时,时空聚焦的脉冲可以在玻璃样品的后表面诱导电离,而在材料中传播的过程中不与材料发生非线性相互作用。时空聚焦技术的这一优势为低数值孔径条件下对较厚的透明材料进行三维加工提供了有力手段。

图5 通过3D打印的小狗和大象

图片来源于程亚【光学极端非线性】


  3.生物组织的精密切割


利用飞秒激光对人体组织进行精密切割手术是目前飞秒激光微加工最为重要的商业应用之一。利用时空聚焦技术可以有效地提高飞秒激光对生物组织的烧蚀精度。有实验表明,当利用传统聚焦的飞秒激光对样品烧蚀时,切口的纵向深度达到了1mm,而且切口深入到了晶状体的内部,这对于其表面的精密切割是十分不利的。而利用时空聚焦技术时,切口的纵向深度仅为200μm。由于时空聚焦技术可以抑制焦点外的非线性效应,切口被限制于晶状体的表面,样品的内部完全没有被破坏,因此飞秒激光时空聚焦技术可以有效地提高飞秒激光对生物组织烧蚀的精度,将来有望被应用于人体组织的精密切割手术等医学领域


图6 飞秒激光眼晶体手术

图片来源于网络





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