短脈沖激光的應(yīng)用分析課件

激光微加工激光微加工激光微加工的概念激光微加工的應(yīng)用領(lǐng)域飛秒激光微加工的優(yōu)點飛秒微加工的重要應(yīng)用光纖激光在精細加工中的應(yīng)用展望激光微加工的概念微加工的概念

微加工的概念Microfabrication微細加工（結(jié)構(gòu)，功能，性能）Micromachining精細加工（尺寸精確，機械加工）

起源于半導(dǎo)體制造工藝

傳統(tǒng)微加工技術(shù)多用于硅材料，并限于平面結(jié)構(gòu)，由于這種基于傳統(tǒng)光刻和各向異性腐蝕硅微機械，結(jié)晶學(xué)取向性限制了能獲得的形狀。

微加工作為微機械的關(guān)鍵技術(shù)

目前常用的工藝方法有：半導(dǎo)體IC加工工藝的硅微細加工，微細電火花精密加工，LIGA技術(shù)，微組裝技術(shù)等等。

微加工幾何尺寸的偏差比例（比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)）大一般傳統(tǒng)加工偏差1%，MEMS加工尺寸偏差大于10％微加工的概念微加工的概念起源于半導(dǎo)體制造工藝微加區(qū)別于傳統(tǒng)的激光加工

激光微加工區(qū)別于傳統(tǒng)得獎激光焊接、切割、打孔、表面改性等，包含范圍非常廣，能無限激發(fā)人的創(chuàng)造力。

微加工特點激光功率小：mW～W量級；功率密度高；加工尺寸小，分辨率高；脈沖、連續(xù)兩種方式。加工精度衍射極限（橫向分辨率約等于波長量級）Rayleigh長度（焦長）區(qū)別于傳統(tǒng)的激光加工微加工特點激光功率?。簃W～W量級；激光微加工應(yīng)用領(lǐng)域

激光微加工技術(shù)主要應(yīng)用于以下三個重要領(lǐng)域：微電子學(xué)（ME）——薄膜的局部沉積及去除，即激光修整、激光光刻、激光微機械加工，以及退火、局部摻雜及焊接等。微機械學(xué)（MM）——在設(shè)備制造業(yè)、汽車以及航空精密制造業(yè)和各種微細加工業(yè)中可用激光進行切割、鉆孔、打標、雕刻、劃線、熱滲透、焊接、硬化處理等。

微光學(xué)（MO）——利用諸如微壓型、打磨拋光等激光表面處理來加工多種微型光學(xué)元件，也可通過諸如激光填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶化來改變組織結(jié)構(gòu)，然后，通過調(diào)和外部機械力，再在軟化階段依靠等離子體輔助進行微成形來加工微光學(xué)元件。激光在上述領(lǐng)域的應(yīng)用推動了它在許多新興的工程方面的應(yīng)用，例如：信息、通訊、醫(yī)藥、微型機器人和其他一些集光、電、機械為一體的微型系統(tǒng)。

激光微加工應(yīng)用領(lǐng)域激光微加工技術(shù)主要應(yīng)用于以下三

飛秒激光加工是一種高強度脈沖激光加工，具有如下優(yōu)點：飛秒激光加工的優(yōu)點無接觸；非真空條件（與X射線、電子束、離子束）；深入體內(nèi)（三維加工）；作用區(qū)域小于衍射極限（多光子）。飛秒激光加工是一種高強度脈沖激光加工，飛秒激光微細加工應(yīng)用

飛秒激光以其獨特的超短持續(xù)時間和超強峰值功率正在打破以往傳統(tǒng)的激光加工方法，開創(chuàng)了材料超精細、低損傷和空間3D加工和處理的新領(lǐng)域。該技術(shù)已在多個領(lǐng)域得到非常廣泛應(yīng)用。

飛秒激光微細加工應(yīng)用飛秒激光以其獨特的超短持續(xù)時在材料微細加工領(lǐng)域的應(yīng)用

（a）（b）

德國漢諾威激光中心的B.N.Chichkov研究小組在真空靶室中放置100mm厚的鋼片，然后分別將能量為lmJ、寬度為3.3ns和能量為120μJ、寬度為200fs的聚集激光對其表面進行加工，經(jīng)過104個脈沖照射后，比較兩者的處理結(jié)果具有顯著的不同。下圖（a）和（b）分別為各自處理結(jié)果的SEM圖像。

在材料微細加工領(lǐng)域的應(yīng)用（a）（b）德國漢諾威激光

對于一些難熔性金屬如：鉬、鉭、錸、鎢等，其相應(yīng)的熔點位于高達2610-3410℃范圍，若采用傳統(tǒng)的長脈沖激光很難完成對它們的精細加工。但由于飛秒激光作用基于多光子吸收和電離機制，避免了熱傳導(dǎo)效應(yīng)，因此成為對這些金屬成功實現(xiàn)高精度處理的唯一選擇。最近美國Clark公司應(yīng)用150fs激光在100μm厚、熔點溫度為3180℃的錸材料上實現(xiàn)了直徑為110μm的精確鉆孔，與應(yīng)用8ns激光進行加工的情況相比，避免孔徑周圍熱應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋產(chǎn)生，如圖下圖所示。納秒（a）和飛秒（a）激光對高熔點金屬錸的加工

對于一些難熔性金屬如：鉬、鉭、錸、鎢等，其相應(yīng)的熔

對于一些超高硬度的材料如金剛石，由于它具有獨特的力學(xué)、熱學(xué)和光電特性，在機械摩擦、切割、光學(xué)和裝飾方面具有重要的應(yīng)用價值。金剛石的能帶間隔為5.4eV，目前主要采用波長小于230nm準分子納秒脈沖激光進行加工，在材料加工邊緣容易形成炭化區(qū)域和機械應(yīng)力，如圖下圖(a)所示。最近，瑞士G.Dumitru和英國M.Gower等人采用脈寬為150fs、能量為54mJ的鈦寶石激光（輸出波長為800nm）對lmm厚的人造CVD金剛石進行了鉆孔和切割處理，如圖下圖(b)所示。納秒（a）和飛秒（b）激光對CVD金剛石的切割對于一些超高硬度的材料如金剛石，

對于一些電解質(zhì)材料如硅，由于具有弱機械性、高熱傳導(dǎo)性以及光譜在UV-IR范圍內(nèi)高透射性等，通常被用來制作傳感器件、探測器件以及太陽能電池等高技術(shù)產(chǎn)品。隨著應(yīng)用要求的不斷提高，傳統(tǒng)的硅加工處理手段變得愈加困難。飛秒激光以其獨特的除熱和消機械應(yīng)力的加工特性給硅材料的切割等處理技術(shù)帶來了新的希望。下圖（a）為飛秒激光對硅材料表面加工的原子力顯微圖像及其截面包絡(luò)；（b）表示了M．Meunier等人采用光譜物理公司生產(chǎn)的重復(fù)率為lkHz的鈦寶石再生放大系統(tǒng)，將輸出波長為760-820nm，能量約lmJ，持續(xù)時間小于120fs的脈沖激光對厚度僅為50μm的硅晶片實現(xiàn)了高精度切割。飛秒激光對硅表面的加工處理對于一些電解質(zhì)材料如硅，由于具有弱機械性、高熱傳導(dǎo)性

另外，對于一些高爆危險物品如：TNT、PETN、HMX、LX和PBX等，通常由于對熱應(yīng)力和沖擊波的敏感性使得其加工處理過程中的安全性受到重大挑戰(zhàn)。在應(yīng)用傳統(tǒng)的機械操作中，若使用了不適當(dāng)?shù)膴A持工件、不適當(dāng)?shù)墓ぞ呓Y(jié)構(gòu)或者不適當(dāng)?shù)那懈钏俣榷伎赡軙斐杉庸み^程的劇烈反應(yīng)。傳統(tǒng)的激光脈沖常被用作爆炸物品的點火，飛秒激光脈沖則可以用來高爆危險品的切割。M.D.Perry利用l000Hz、100fs的鈦寶石激光對多種高爆危險品進行了安全切割，如下圖（b）所示。在直徑為lcm、厚度為2mm的樣品表面沒有任何化學(xué)反應(yīng)痕跡，整個切割面上材料的化學(xué)性質(zhì)沒有發(fā)生變化。而用600ps的激光照射時，立即觀察到樣品的爆燃過程，切割邊緣出現(xiàn)熔化痕跡，并且生成大量新的熱反應(yīng)物質(zhì)，如（a）所示。

納秒（a）和飛秒（b）激光對爆炸物品的切割另外，對于一些高爆危險物品如：TNT、PE在微電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)代微電子產(chǎn)業(yè)在本質(zhì)上是芯片的集成制造為核心，而光掩模和光刻技術(shù)是處在這一核心鏈的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它是聯(lián)接集成略設(shè)計與制造的紐帶，光掩模和光刻技術(shù)水平和質(zhì)量就成為集成電路產(chǎn)品、質(zhì)量和生產(chǎn)效率關(guān)鍵。

在微電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)代微電子產(chǎn)業(yè)在本質(zhì)上是芯片的集實現(xiàn)光掩模缺陷的修復(fù)

隨著超高速、超高頻、超高集成度電路及器件的研制和開發(fā)，線寬的特征尺寸已進入深亞微米、百納米以至納米級。對于如此復(fù)雜的光掩模，要實現(xiàn)毫無缺陷的制作過程將變得非常困難，甚至不太可能。國際著名的半導(dǎo)體制造商SEMATECH公司已經(jīng)將此困難列為限制下一代微芯片發(fā)展的主要因素。這些缺陷通常包括在光掩模版上的某個非合適位置處殘留有多余的金屬吸收體。它們的去處必須讓該位置對光具有高透射率，同時又不能損傷襯底硅材料及其相鄰的區(qū)域，應(yīng)用傳統(tǒng)的納秒激光燒蝕技術(shù)很難滿足這種要求，而聚焦離子束（FIB）實現(xiàn)的最小修補線寬為0.35μm。飛秒激光修復(fù)光掩模

實現(xiàn)光掩模缺陷的修復(fù)隨著超高速、超高頻、超

光掩模(Photomask)是指根據(jù)IC器件設(shè)計版圖數(shù)據(jù)進行定制的、載有集成電路圖形結(jié)構(gòu)的高純精密石英玻璃版，其作用相當(dāng)于一個模具，它是半導(dǎo)體微細加工和制造業(yè)的重要前提。根據(jù)2001年國際半導(dǎo)體協(xié)會預(yù)測，世界集成電路的生產(chǎn)在2004年左右將達到0.1μm線寬水平，2011年可望達到0.05μm線寬水平。目前人們?yōu)榱藢崿F(xiàn)這一目標，通過采用更短的照射光波長發(fā)展了幾種新型的光刻技術(shù)如：電子束曝光技術(shù)、遠紫外線技術(shù)、XRL技術(shù)以及157nm準分子激光刻寫技術(shù)等。這些平版印刷技術(shù)雖然各有優(yōu)勢，缺點是價格昂貴、生產(chǎn)耗時。針對上述平版印刷術(shù)給光掩模制造帶來的種種困難，新加坡南洋工業(yè)大學(xué)的B.K.A.Ngoi等人采用飛秒激光發(fā)展了一種全新的光掩模制造技術(shù)。這種干凈、低成本、高效率的一步式(one-stepsolution)直接刻寫技術(shù)對于逐步取代傳統(tǒng)的平版印刷術(shù)在薄片硅(TFS)太陽能電池、平板顯示(FPD)等多種微電子器件制作中的應(yīng)用具有非常重要的意義。

實現(xiàn)光掩模的新型制造

光掩模(Photomask)是指根據(jù)IC器件設(shè)計版圖實現(xiàn)微型過孔，提高電路互連封裝水平

近20年來，與集成電路(IC)在計算速度和存儲記憶方面取得的快速進步一樣重要的是互連封裝的并行發(fā)展。隨著電子產(chǎn)品朝著便攜式、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化的方向發(fā)展，單位體積信息的提高(高密度)和單位時間處理速度的提高(高速化)對微電子封裝技術(shù)提出不斷增長的新需求。提高芯片封裝水平的關(guān)鍵之處就是在不同層面的線路之間保留微型過孔的存在，這樣通過微型過孔不僅提供了表面安裝器件與下面信號面板之間的高速連接，而且有效地減小了封裝面積。

另一方面，印制線路板(PCB)逐步呈現(xiàn)出以高密度互連技術(shù)為主體的積層化、多功能化特征。為了有效地保證各層間的電氣連接以及外部器件的固定，過孔(via)已成為多層PCB的重要組成部分之一。

由于PCB通常由銅箔與玻璃布和樹脂組合而成，此三種材料對波長的吸光度有所不同。因此激光鉆孔技術(shù)一般采用YAG倍頻激光器和CO2激光器的混合系統(tǒng)。由于對加工材料不具有嚴格的選擇性，飛秒激光無疑可以取代微型過孔加工中所采用的混合激光系統(tǒng)。而且隨著微電子封裝技術(shù)要求的進一步提高，微型過孔的加工尺寸將會變得愈來愈小，為飛秒激光加工的應(yīng)用提供了非常廣闊的前景。實現(xiàn)微型過孔，提高電路互連封裝水平近20年來，與集在光子器件和全光通訊領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，世界正在向光子時代邁進，目前的各種電子元器件正在被全光學(xué)元件所取代，并將其逐步微小化和集成化在一個緊湊的功能系統(tǒng)內(nèi)，成為高速信息處理的新興發(fā)展方向。對光通訊來說，這就意味著要在一個單獨的“芯片”上生產(chǎn)出包括方向連接器、帶通濾波器、多路復(fù)用器、光開關(guān)、波長轉(zhuǎn)換器以及調(diào)制器等元件在內(nèi)的平面光波環(huán)路。這一發(fā)展與四十多年前第一次將平面化、集成化的晶體管和其他電子元器件放置到一個硅片上的電子芯片產(chǎn)業(yè)情況相類似。光子產(chǎn)業(yè)的未來演化將更多地傾向于發(fā)展一種能夠?qū)鈱W(xué)材料進行納米操縱的精密處理工具。由于這些器件被用來改變和控制光在系統(tǒng)中的路徑，因此它們的特征尺寸一般僅為光波長的一小部分。對于許多應(yīng)用來說，透明玻璃(如熔石英)由于具有較高的透明性、長時間和高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性而被通常選作加工光子器件的基礎(chǔ)材料。同時，也正是這些理想的特點給材料的精細處理帶來了巨大挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)加工尺寸位于～100nm量級范圍時。在光子器件和全光通訊領(lǐng)域的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，制作光學(xué)波導(dǎo)

光波導(dǎo)是集成光學(xué)重要的基礎(chǔ)性部件，它能將光波束縛在光波長量級尺寸的介質(zhì)中，長距離傳輸。目前常用的制作方法是離子注入法、火焰水解涂覆法、熔膠凝膠法、汽相沉積法和熱擴散型離子交換法等。這些方法的缺點是靈活性差、過程非常繁雜、緩慢。飛秒激光制作光波導(dǎo)

依靠飛秒激光可以順利地解決這些問題。最近德國亞深大學(xué)的StefanNolte教授將鈦寶石激光器輸出重復(fù)率lkHz、脈寬為100fs、能量為幾個微焦的激光實現(xiàn)了亞衍射極限光波導(dǎo)的制作，如右圖所示。制作光學(xué)波導(dǎo)光波導(dǎo)是集成光學(xué)重要的基礎(chǔ)性部件，它能

飛秒激光光波導(dǎo)制作技術(shù)非常簡單，整個過程在室溫環(huán)境下進行，并且波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在高達1500K的溫度下仍可以保持良好的質(zhì)量穩(wěn)定性。另外，在制作過程中，基片材料的選取不再受到嚴格的限制。透明玻璃可以包括硅酸鹽、硼硅酸鹽、硫族化物以及氟化物等。光波導(dǎo)可以位于材料內(nèi)部3D空間的任意位置，而且還可以實現(xiàn)制作任意形狀的二維、三維波導(dǎo)，分束器以及連接器等光子器件，如圖下圖所示，其中右半部分是一個三維光分束器結(jié)構(gòu)及其輸出光的近場分布圖樣。分束器長度為25mm，輸出端口間隔40mm。這一技術(shù)對于構(gòu)建未來的“光學(xué)芯片”具有非常重要的意義。

飛秒激光在透明晶體中制作空間三維光波導(dǎo)（a）和空間分束器及其近場光分布圖樣（b）飛秒激光光波導(dǎo)制作技術(shù)非常簡單，整個過程在室溫環(huán)境下制作Bragg光柵

光纖光柵（FBG）作為一種新型光纖器件，主要用于光纖通信、光纖傳感和光信息處理。目前光纖光柵的制作主要是利用紫外激光通過相位掩模板沿軸向誘導(dǎo)光纖芯折射率呈周期性的變化。紫外光直接寫入技術(shù)無法引起足夠的折射率變化（Δn<10-4）。通過高壓載氫，或者高摻鍺等方法可以適當(dāng)提高折射率變化。但是，采用該技術(shù)制成的光柵器件隨時間退化明顯，退化速率呈“指數(shù)律”變化，特別是在高溫條件下，退化效應(yīng)更為明顯。飛秒激光束可以使各種玻璃產(chǎn)生永久性的折射率變化，日本YuldKondo和法國EricFertein等人分別用近紅外波長的飛秒激光脈沖在標準通信光纖中成功制作了長周期Bragg光柵。

飛秒雙光束全息方法實現(xiàn)微型表面浮雕光柵的制作（左）和形成的光柵結(jié)構(gòu)及其原子力顯微圖像（右）制作Bragg光柵光纖光柵（FBG）作為一種新型光制作近紅外和可見光波段光子晶體

要得到光子帶隙在紅外或可見光的光子晶體，晶格常數(shù)應(yīng)當(dāng)在微米或亞微米量級，這對光子晶體的制作來說無疑是極大的挑戰(zhàn)。近年來，人們利用現(xiàn)有成熟的半導(dǎo)體制作工藝，如光刻蝕、電子束刻蝕、離子束刻蝕等，以及膠體顆粒自組織等方法相繼成功制備了從紅外到可見光波段的二維結(jié)構(gòu)光子晶體，但這些方法仍然受到嚴格的技術(shù)限制。

最近，基于飛秒激光強雙光子或多光子吸收光聚合效應(yīng)，人們采用聚合物材料提出了兩種全新制作近紅外和可見光波段光子晶體的方法。一種是飛秒雙光子或多光子聚合-逐層疊加制作法，另一種是飛秒激光多光束干涉制作法。飛秒雙光子聚合-逐層疊加法制作的3-D光子晶體制作近紅外和可見光波段光子晶體要得到光子帶隙在紅外超高密度光學(xué)存儲

信息存儲在國民經(jīng)濟建設(shè)及現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)中具有十分重要的地位。20世紀末興起的光信息存儲（簡稱光存儲）是繼磁記錄之后重要信息存儲技術(shù)，具有存儲容量大、壽命長、可替換、不易損壞等優(yōu)點。3D立體光學(xué)存儲原理

在介質(zhì)空間內(nèi)部實現(xiàn)3-D的光學(xué)存儲技術(shù)是近年來在海量存儲領(lǐng)域內(nèi)的一個新的、非常重要的發(fā)展方向。特別是最近幾年，隨著飛秒激光技術(shù)的發(fā)展成熟，基于雙光子非線性過程實現(xiàn)材料表面和內(nèi)部任意空間上的亞微米操作，為發(fā)展超高密度的3-D光學(xué)存儲技術(shù)提供了一個全新的思路。與其他三維存儲技術(shù)相比，飛秒激光雙光子存儲技術(shù)的優(yōu)點在于：①高達1012bits/cm3的巨大體存儲密度；②快速的數(shù)據(jù)讀、寫；③并行隨機存??；④存儲介質(zhì)成本低廉；⑤相鄰數(shù)據(jù)位層之間的串?dāng)_最小。超高密度光學(xué)存儲信息存儲在國民經(jīng)濟建設(shè)及現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)在激光醫(yī)療和生物工程領(lǐng)域的應(yīng)用

由于飛秒激光加工是一個高準確度、低能量、小損傷以及能夠進行三維空間嚴格定位的處理過程，因此它能夠最大限度地滿足醫(yī)學(xué)和生物領(lǐng)域內(nèi)的特殊需求。在精細醫(yī)療器件制作、激光無痛和無損傷醫(yī)療以及細胞生物工程技術(shù)等方面具有廣泛應(yīng)用前景。

在激光醫(yī)療和生物工程領(lǐng)域的應(yīng)用由于飛秒激光加工是一個制作新型特種醫(yī)療器械

在冠心病的治療方面，心血管支架置放術(shù)是避免旁路移植，簡稱“冠脈搭橋”，是手術(shù)治療冠狀動脈血管硬化的一種新型的、侵人性小的介入治療方式。這種手術(shù)一般采用不銹鋼支架，但是這種支架再狹窄問題嚴重。

2000年7月日本科學(xué)家報道了一種新聚合物，可望解決血管再狹窄問題。這種聚合物實際上是一種半結(jié)晶的熱塑料聚酯，具有生物相容性和生物降解性的優(yōu)點。盡管它也具有很好的機械特性，但非常脆弱，因此采用機械工具很難完成支架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的精細制作。如果采用傳統(tǒng)的長脈沖激光技術(shù)，則加工過程中的熱熔相變將會嚴重損壞材料原有的特性。

盡管這種聚合物材料對于鈦寶石飛秒激光的波長來說是透明的，但基于光脈沖高峰值強度造成的多光子吸收過程，2002年1月德國漢諾威激光中心的ThorstenBauer等人報道在這種聚合物材料上完成了血管支架結(jié)構(gòu)的突破性制作，如右圖所示。

制作新型特種醫(yī)療器械在冠心病的治療方面，心血管支架無痛和無損傷醫(yī)療

與長脈沖激光相比，飛秒激光能量高度集中，作用期間幾乎沒有熱量傳輸效應(yīng)，因此也不會引起周圍環(huán)境溫度的上升，這在激光手術(shù)醫(yī)療應(yīng)用方面非常重要。數(shù)度的溫度上升一方面會在瞬間變成壓力波傳到神經(jīng)細胞產(chǎn)生痛感，另一方面可能會對生物體組織造成致命傷害。因此，飛秒激光可以實現(xiàn)無痛和無損傷的安全治療。對于人體中質(zhì)地堅硬的鈣化組織的治療，如牙齒等，一般采用機械鉆孔或Er:YAG激光燒蝕方法。這兩種方法容易造成鈣化組織破損或者產(chǎn)生裂紋，為牙齒進一步腐爛提供了條件，而且必須避免長時間的連續(xù)接受治療。飛秒激光不會帶來任何損傷，如下圖所示。長脈沖激光（a）和飛秒激光（b）在牙科治療中的比較無痛和無損傷醫(yī)療與長脈沖激光相比，飛秒激光能量高度

此外，飛秒激光低能量、小損傷以及嚴格的空間定位特點，就像一把銳利而精密的手術(shù)刀，非常適合于生物組織的超精細切割。1999年，密歇根大學(xué)超快科學(xué)研究中心的科研人員發(fā)展了一種利用超快激光對人眼角膜進行清潔、高精度眼科手術(shù)切割的新方法。在視覺折射率修正手術(shù)中，他們采用工作波長為1060nm、脈寬為800fs、脈沖重復(fù)率為2kHz、最高脈沖能量40μJ的飛秒激光，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械刀來對角膜覆蓋物實施更加精密的切割，如下圖所示。這種技術(shù)減少了不均勻切割的機會，也減少了相關(guān)邊緣組織破壞的機會，降低了傳統(tǒng)手術(shù)的危險性，改進了醫(yī)療安全?，F(xiàn)在科學(xué)家們正在努力將這種系統(tǒng)用于青光眼及白內(nèi)障等手術(shù)中。飛秒激光對角膜覆蓋物實現(xiàn)精密切割此外，飛秒激光低能量、小損傷以及嚴格的空間定在生物工程領(lǐng)域的應(yīng)用

基因工程和細胞工程是指人類對細胞和基因有目的地進行切割、縫合與轉(zhuǎn)運等的各種操作。由于細胞和基因都非常小，例如DNA的直徑只有2nm，在它們身上進行“手術(shù)”是非常困難的，必須選納米量級空間分辨的特殊工具。

飛秒激光對染色體的納米切割秒激光對細胞內(nèi)部線粒體進行納米切割在生物工程領(lǐng)域的應(yīng)用基因工程和細胞工程是指人類對細胞光纖激光在微細加工中的應(yīng)用

在醫(yī)療器械行業(yè)的應(yīng)用在機械行業(yè)的應(yīng)用在光電子行業(yè)的應(yīng)用光纖激光在微細加工中的應(yīng)用在醫(yī)療器械行業(yè)的應(yīng)用在醫(yī)療器械行業(yè)的應(yīng)用

目前實用化心血管支架的形狀加工一般采用Nd:YAG激光器加工血管內(nèi)支架。近年來，高功率光纖激光器得到了非常迅速的發(fā)展，它具有光束質(zhì)量好、基模輸出、聚焦光斑小等優(yōu)點，心血管支架要求網(wǎng)線寬度小、均勻以及熱影響區(qū)小，因此與YAG激光器相比，光纖激光器更適合用于支架精密加工的光源。在醫(yī)療器械行業(yè)的應(yīng)用目前實用化心血管支架的形在機械行業(yè)的應(yīng)用放大10倍放大40倍

下圖表示了在直徑為10mm的不銹鋼板切割150個小齒的情形。不銹鋼板厚度為0.2mm，切割參數(shù)為：激光出功率25W，脈沖頻率2000Hz，脈沖寬度為0.3ms，切割速度120mm/min，輔助氣體氧壓為0.2MPa。從圖中可以看出，小齒均勻、尖銳度好。在機械行業(yè)的應(yīng)用放大10倍放大40倍下圖表示了在在光電子行業(yè)的應(yīng)用手機面板的切割

目前，諾基亞、西門子、摩托羅拉等大手機廠商都在市場上相繼推出了不銹鋼按鍵面板的手機，具有按鍵亮度高、清晰等優(yōu)點，深受用戶喜愛。下圖表示了利用光纖激光切割的手機按鍵面板。切割的手機面板曲線平滑、切面沒有毛刺、不掛渣、而且切割速度快，完全符合應(yīng)用要求。在光電子行業(yè)的應(yīng)用手機面板的切割目前，諾基亞電路網(wǎng)板（漏錫板）的切割

隨著對線路要求的越高，線路板上各個零件的焊接要求也越來越高。漏錫板以前一般采用腐蝕的方法，但是這種方法精度不高，而且速度慢。因此現(xiàn)在越來越多的漏錫板都是利用激光來切割，市場前景很好。下圖表示了利用光纖激光切割的漏錫板，最小縫寬度為100μm且切縫光滑、下底面沒有掛渣、切縫均勻，完全符合應(yīng)用要求。電路網(wǎng)板（漏錫板）的切割隨著對線路要求的越高，

要使激光技術(shù)形成產(chǎn)業(yè)化，必須有一個巨大的市場和有一批生產(chǎn)激光加工設(shè)備的產(chǎn)業(yè)群。在市場導(dǎo)向和政府的適當(dāng)引導(dǎo)下，將會有更多的資本和公司投身到發(fā)展激光加工產(chǎn)業(yè)中來，努力擴大其應(yīng)用，形成更大的市場，逐步進入滾雪球式的發(fā)展局面。

激光加工是光電子產(chǎn)業(yè)中市場穩(wěn)健發(fā)展、前景非?？春玫漠a(chǎn)業(yè)，它作為“先進制造技術(shù)”之一，已列入國家重點發(fā)展項目之中。它對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造（汽車、造船、鋼鐵、輕工、醫(yī)療器械等）和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展（微電子、光通信、新材料、禮品工業(yè)等）將起著重大的促進作用。最近幾年飛秒激光技術(shù)的發(fā)展非常迅猛，隨著裝置的小型化及操作性能的提高，在加工現(xiàn)場實現(xiàn)實用化也變得現(xiàn)實起來。從以上介紹的一些例子可以看出，飛秒激光具有的潛在能力有非常大的魅力。展望要使激光技術(shù)形成產(chǎn)業(yè)化，必須有一個巨大的市場和謝謝！謝謝！激光微加工激光微加工激光微加工的概念激光微加工的應(yīng)用領(lǐng)域飛秒激光微加工的優(yōu)點飛秒微加工的重要應(yīng)用光纖激光在精細加工中的應(yīng)用展望激光微加工的概念微加工的概念

微加工的概念Microfabrication微細加工（結(jié)構(gòu)，功能，性能）Micromachining精細加工（尺寸精確，機械加工）

起源于半導(dǎo)體制造工藝

傳統(tǒng)微加工技術(shù)多用于硅材料，并限于平面結(jié)構(gòu)，由于這種基于傳統(tǒng)光刻和各向異性腐蝕硅微機械，結(jié)晶學(xué)取向性限制了能獲得的形狀。

微加工作為微機械的關(guān)鍵技術(shù)

目前常用的工藝方法有：半導(dǎo)體IC加工工藝的硅微細加工，微細電火花精密加工，LIGA技術(shù)，微組裝技術(shù)等等。

微加工幾何尺寸的偏差比例（比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)）大一般傳統(tǒng)加工偏差1%，MEMS加工尺寸偏差大于10％微加工的概念微加工的概念起源于半導(dǎo)體制造工藝微加區(qū)別于傳統(tǒng)的激光加工

激光微加工區(qū)別于傳統(tǒng)得獎激光焊接、切割、打孔、表面改性等，包含范圍非常廣，能無限激發(fā)人的創(chuàng)造力。

微加工特點激光功率小：mW～W量級；功率密度高；加工尺寸小，分辨率高；脈沖、連續(xù)兩種方式。加工精度衍射極限（橫向分辨率約等于波長量級）Rayleigh長度（焦長）區(qū)別于傳統(tǒng)的激光加工微加工特點激光功率?。簃W～W量級；激光微加工應(yīng)用領(lǐng)域

激光微加工技術(shù)主要應(yīng)用于以下三個重要領(lǐng)域：微電子學(xué)（ME）——薄膜的局部沉積及去除，即激光修整、激光光刻、激光微機械加工，以及退火、局部摻雜及焊接等。微機械學(xué)（MM）——在設(shè)備制造業(yè)、汽車以及航空精密制造業(yè)和各種微細加工業(yè)中可用激光進行切割、鉆孔、打標、雕刻、劃線、熱滲透、焊接、硬化處理等。

微光學(xué)（MO）——利用諸如微壓型、打磨拋光等激光表面處理來加工多種微型光學(xué)元件，也可通過諸如激光填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶化來改變組織結(jié)構(gòu)，然后，通過調(diào)和外部機械力，再在軟化階段依靠等離子體輔助進行微成形來加工微光學(xué)元件。激光在上述領(lǐng)域的應(yīng)用推動了它在許多新興的工程方面的應(yīng)用，例如：信息、通訊、醫(yī)藥、微型機器人和其他一些集光、電、機械為一體的微型系統(tǒng)。

激光微加工應(yīng)用領(lǐng)域激光微加工技術(shù)主要應(yīng)用于以下三

飛秒激光加工是一種高強度脈沖激光加工，具有如下優(yōu)點：飛秒激光加工的優(yōu)點無接觸；非真空條件（與X射線、電子束、離子束）；深入體內(nèi)（三維加工）；作用區(qū)域小于衍射極限（多光子）。飛秒激光加工是一種高強度脈沖激光加工，飛秒激光微細加工應(yīng)用

飛秒激光以其獨特的超短持續(xù)時間和超強峰值功率正在打破以往傳統(tǒng)的激光加工方法，開創(chuàng)了材料超精細、低損傷和空間3D加工和處理的新領(lǐng)域。該技術(shù)已在多個領(lǐng)域得到非常廣泛應(yīng)用。

飛秒激光微細加工應(yīng)用飛秒激光以其獨特的超短持續(xù)時在材料微細加工領(lǐng)域的應(yīng)用

（a）（b）

德國漢諾威激光中心的B.N.Chichkov研究小組在真空靶室中放置100mm厚的鋼片，然后分別將能量為lmJ、寬度為3.3ns和能量為120μJ、寬度為200fs的聚集激光對其表面進行加工，經(jīng)過104個脈沖照射后，比較兩者的處理結(jié)果具有顯著的不同。下圖（a）和（b）分別為各自處理結(jié)果的SEM圖像。

在材料微細加工領(lǐng)域的應(yīng)用（a）（b）德國漢諾威激光

對于一些難熔性金屬如：鉬、鉭、錸、鎢等，其相應(yīng)的熔點位于高達2610-3410℃范圍，若采用傳統(tǒng)的長脈沖激光很難完成對它們的精細加工。但由于飛秒激光作用基于多光子吸收和電離機制，避免了熱傳導(dǎo)效應(yīng)，因此成為對這些金屬成功實現(xiàn)高精度處理的唯一選擇。最近美國Clark公司應(yīng)用150fs激光在100μm厚、熔點溫度為3180℃的錸材料上實現(xiàn)了直徑為110μm的精確鉆孔，與應(yīng)用8ns激光進行加工的情況相比，避免孔徑周圍熱應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋產(chǎn)生，如圖下圖所示。納秒（a）和飛秒（a）激光對高熔點金屬錸的加工

對于一些難熔性金屬如：鉬、鉭、錸、鎢等，其相應(yīng)的熔

對于一些超高硬度的材料如金剛石，由于它具有獨特的力學(xué)、熱學(xué)和光電特性，在機械摩擦、切割、光學(xué)和裝飾方面具有重要的應(yīng)用價值。金剛石的能帶間隔為5.4eV，目前主要采用波長小于230nm準分子納秒脈沖激光進行加工，在材料加工邊緣容易形成炭化區(qū)域和機械應(yīng)力，如圖下圖(a)所示。最近，瑞士G.Dumitru和英國M.Gower等人采用脈寬為150fs、能量為54mJ的鈦寶石激光（輸出波長為800nm）對lmm厚的人造CVD金剛石進行了鉆孔和切割處理，如圖下圖(b)所示。納秒（a）和飛秒（b）激光對CVD金剛石的切割對于一些超高硬度的材料如金剛石，

對于一些電解質(zhì)材料如硅，由于具有弱機械性、高熱傳導(dǎo)性以及光譜在UV-IR范圍內(nèi)高透射性等，通常被用來制作傳感器件、探測器件以及太陽能電池等高技術(shù)產(chǎn)品。隨著應(yīng)用要求的不斷提高，傳統(tǒng)的硅加工處理手段變得愈加困難。飛秒激光以其獨特的除熱和消機械應(yīng)力的加工特性給硅材料的切割等處理技術(shù)帶來了新的希望。下圖（a）為飛秒激光對硅材料表面加工的原子力顯微圖像及其截面包絡(luò)；（b）表示了M．Meunier等人采用光譜物理公司生產(chǎn)的重復(fù)率為lkHz的鈦寶石再生放大系統(tǒng)，將輸出波長為760-820nm，能量約lmJ，持續(xù)時間小于120fs的脈沖激光對厚度僅為50μm的硅晶片實現(xiàn)了高精度切割。飛秒激光對硅表面的加工處理對于一些電解質(zhì)材料如硅，由于具有弱機械性、高熱傳導(dǎo)性

另外，對于一些高爆危險物品如：TNT、PETN、HMX、LX和PBX等，通常由于對熱應(yīng)力和沖擊波的敏感性使得其加工處理過程中的安全性受到重大挑戰(zhàn)。在應(yīng)用傳統(tǒng)的機械操作中，若使用了不適當(dāng)?shù)膴A持工件、不適當(dāng)?shù)墓ぞ呓Y(jié)構(gòu)或者不適當(dāng)?shù)那懈钏俣榷伎赡軙斐杉庸み^程的劇烈反應(yīng)。傳統(tǒng)的激光脈沖常被用作爆炸物品的點火，飛秒激光脈沖則可以用來高爆危險品的切割。M.D.Perry利用l000Hz、100fs的鈦寶石激光對多種高爆危險品進行了安全切割，如下圖（b）所示。在直徑為lcm、厚度為2mm的樣品表面沒有任何化學(xué)反應(yīng)痕跡，整個切割面上材料的化學(xué)性質(zhì)沒有發(fā)生變化。而用600ps的激光照射時，立即觀察到樣品的爆燃過程，切割邊緣出現(xiàn)熔化痕跡，并且生成大量新的熱反應(yīng)物質(zhì)，如（a）所示。

納秒（a）和飛秒（b）激光對爆炸物品的切割另外，對于一些高爆危險物品如：TNT、PE在微電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)代微電子產(chǎn)業(yè)在本質(zhì)上是芯片的集成制造為核心，而光掩模和光刻技術(shù)是處在這一核心鏈的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它是聯(lián)接集成略設(shè)計與制造的紐帶，光掩模和光刻技術(shù)水平和質(zhì)量就成為集成電路產(chǎn)品、質(zhì)量和生產(chǎn)效率關(guān)鍵。

在微電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)代微電子產(chǎn)業(yè)在本質(zhì)上是芯片的集實現(xiàn)光掩模缺陷的修復(fù)

隨著超高速、超高頻、超高集成度電路及器件的研制和開發(fā)，線寬的特征尺寸已進入深亞微米、百納米以至納米級。對于如此復(fù)雜的光掩模，要實現(xiàn)毫無缺陷的制作過程將變得非常困難，甚至不太可能。國際著名的半導(dǎo)體制造商SEMATECH公司已經(jīng)將此困難列為限制下一代微芯片發(fā)展的主要因素。這些缺陷通常包括在光掩模版上的某個非合適位置處殘留有多余的金屬吸收體。它們的去處必須讓該位置對光具有高透射率，同時又不能損傷襯底硅材料及其相鄰的區(qū)域，應(yīng)用傳統(tǒng)的納秒激光燒蝕技術(shù)很難滿足這種要求，而聚焦離子束（FIB）實現(xiàn)的最小修補線寬為0.35μm。飛秒激光修復(fù)光掩模

實現(xiàn)光掩模缺陷的修復(fù)隨著超高速、超高頻、超

光掩模(Photomask)是指根據(jù)IC器件設(shè)計版圖數(shù)據(jù)進行定制的、載有集成電路圖形結(jié)構(gòu)的高純精密石英玻璃版，其作用相當(dāng)于一個模具，它是半導(dǎo)體微細加工和制造業(yè)的重要前提。根據(jù)2001年國際半導(dǎo)體協(xié)會預(yù)測，世界集成電路的生產(chǎn)在2004年左右將達到0.1μm線寬水平，2011年可望達到0.05μm線寬水平。目前人們?yōu)榱藢崿F(xiàn)這一目標，通過采用更短的照射光波長發(fā)展了幾種新型的光刻技術(shù)如：電子束曝光技術(shù)、遠紫外線技術(shù)、XRL技術(shù)以及157nm準分子激光刻寫技術(shù)等。這些平版印刷技術(shù)雖然各有優(yōu)勢，缺點是價格昂貴、生產(chǎn)耗時。針對上述平版印刷術(shù)給光掩模制造帶來的種種困難，新加坡南洋工業(yè)大學(xué)的B.K.A.Ngoi等人采用飛秒激光發(fā)展了一種全新的光掩模制造技術(shù)。這種干凈、低成本、高效率的一步式(one-stepsolution)直接刻寫技術(shù)對于逐步取代傳統(tǒng)的平版印刷術(shù)在薄片硅(TFS)太陽能電池、平板顯示(FPD)等多種微電子器件制作中的應(yīng)用具有非常重要的意義。

實現(xiàn)光掩模的新型制造

光掩模(Photomask)是指根據(jù)IC器件設(shè)計版圖實現(xiàn)微型過孔，提高電路互連封裝水平

近20年來，與集成電路(IC)在計算速度和存儲記憶方面取得的快速進步一樣重要的是互連封裝的并行發(fā)展。隨著電子產(chǎn)品朝著便攜式、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化的方向發(fā)展，單位體積信息的提高(高密度)和單位時間處理速度的提高(高速化)對微電子封裝技術(shù)提出不斷增長的新需求。提高芯片封裝水平的關(guān)鍵之處就是在不同層面的線路之間保留微型過孔的存在，這樣通過微型過孔不僅提供了表面安裝器件與下面信號面板之間的高速連接，而且有效地減小了封裝面積。

另一方面，印制線路板(PCB)逐步呈現(xiàn)出以高密度互連技術(shù)為主體的積層化、多功能化特征。為了有效地保證各層間的電氣連接以及外部器件的固定，過孔(via)已成為多層PCB的重要組成部分之一。

由于PCB通常由銅箔與玻璃布和樹脂組合而成，此三種材料對波長的吸光度有所不同。因此激光鉆孔技術(shù)一般采用YAG倍頻激光器和CO2激光器的混合系統(tǒng)。由于對加工材料不具有嚴格的選擇性，飛秒激光無疑可以取代微型過孔加工中所采用的混合激光系統(tǒng)。而且隨著微電子封裝技術(shù)要求的進一步提高，微型過孔的加工尺寸將會變得愈來愈小，為飛秒激光加工的應(yīng)用提供了非常廣闊的前景。實現(xiàn)微型過孔，提高電路互連封裝水平近20年來，與集在光子器件和全光通訊領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，世界正在向光子時代邁進，目前的各種電子元器件正在被全光學(xué)元件所取代，并將其逐步微小化和集成化在一個緊湊的功能系統(tǒng)內(nèi)，成為高速信息處理的新興發(fā)展方向。對光通訊來說，這就意味著要在一個單獨的“芯片”上生產(chǎn)出包括方向連接器、帶通濾波器、多路復(fù)用器、光開關(guān)、波長轉(zhuǎn)換器以及調(diào)制器等元件在內(nèi)的平面光波環(huán)路。這一發(fā)展與四十多年前第一次將平面化、集成化的晶體管和其他電子元器件放置到一個硅片上的電子芯片產(chǎn)業(yè)情況相類似。光子產(chǎn)業(yè)的未來演化將更多地傾向于發(fā)展一種能夠?qū)鈱W(xué)材料進行納米操縱的精密處理工具。由于這些器件被用來改變和控制光在系統(tǒng)中的路徑，因此它們的特征尺寸一般僅為光波長的一小部分。對于許多應(yīng)用來說，透明玻璃(如熔石英)由于具有較高的透明性、長時間和高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性而被通常選作加工光子器件的基礎(chǔ)材料。同時，也正是這些理想的特點給材料的精細處理帶來了巨大挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)加工尺寸位于～100nm量級范圍時。在光子器件和全光通訊領(lǐng)域的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，制作光學(xué)波導(dǎo)

光波導(dǎo)是集成光學(xué)重要的基礎(chǔ)性部件，它能將光波束縛在光波長量級尺寸的介質(zhì)中，長距離傳輸。目前常用的制作方法是離子注入法、火焰水解涂覆法、熔膠凝膠法、汽相沉積法和熱擴散型離子交換法等。這些方法的缺點是靈活性差、過程非常繁雜、緩慢。飛秒激光制作光波導(dǎo)

依靠飛秒激光可以順利地解決這些問題。最近德國亞深大學(xué)的StefanNolte教授將鈦寶石激光器輸出重復(fù)率lkHz、脈寬為100fs、能量為幾個微焦的激光實現(xiàn)了亞衍射極限光波導(dǎo)的制作，如右圖所示。制作光學(xué)波導(dǎo)光波導(dǎo)是集成光學(xué)重要的基礎(chǔ)性部件，它能

飛秒激光光波導(dǎo)制作技術(shù)非常簡單，整個過程在室溫環(huán)境下進行，并且波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在高達1500K的溫度下仍可以保持良好的質(zhì)量穩(wěn)定性。另外，在制作過程中，基片材料的選取不再受到嚴格的限制。透明玻璃可以包括硅酸鹽、硼硅酸鹽、硫族化物以及氟化物等。光波導(dǎo)可以位于材料內(nèi)部3D空間的任意位置，而且還可以實現(xiàn)制作任意形狀的二維、三維波導(dǎo)，分束器以及連接器等光子器件，如圖下圖所示，其中右半部分是一個三維光分束器結(jié)構(gòu)及其輸出光的近場分布圖樣。分束器長度為25mm，輸出端口間隔40mm。這一技術(shù)對于構(gòu)建未來的“光學(xué)芯片”具有非常重要的意義。

飛秒激光在透明晶體中制作空間三維光波導(dǎo)（a）和空間分束器及其近場光分布圖樣（b）飛秒激光光波導(dǎo)制作技術(shù)非常簡單，整個過程在室溫環(huán)境下制作Bragg光柵

光纖光柵（FBG）作為一種新型光纖器件，主要用于光纖通信、光纖傳感和光信息處理。目前光纖光柵的制作主要是利用紫外激光通過相位掩模板沿軸向誘導(dǎo)光纖芯折射率呈周期性的變化。紫外光直接寫入技術(shù)無法引起足夠的折射率變化（Δn<10-4）。通過高壓載氫，或者高摻鍺等方法可以適當(dāng)提高折射率變化。但是，采用該技術(shù)制成的光柵器件隨時間退化明顯，退化速率呈“指數(shù)律”變化，特別是在高溫條件下，退化效應(yīng)更為明顯。飛秒激光束可以使各種玻璃產(chǎn)生永久性的折射率變化，日本YuldKondo和法國EricFertein等人分別用近紅外波長的飛秒激光脈沖在標準通信光纖中成功制作了長周期Bragg光柵。

飛秒雙光束全息方法實現(xiàn)微型表面浮雕光柵的制作（左）和形成的光柵結(jié)構(gòu)及其原子力顯微圖像（右）制作Bragg光柵光纖光柵（FBG）作為一種新型光制作近紅外和可見光波段光子晶體

要得到光子帶隙在紅外或可見光的光子晶體，晶格常數(shù)應(yīng)當(dāng)在微米或亞微米量級，這對光子晶體的制作來說無疑是極大的挑戰(zhàn)。近年來，人們利用現(xiàn)有成熟的半導(dǎo)體制作工藝，如光刻蝕、電子束刻蝕、離子束刻蝕等，以及膠體顆粒自組織等方法相繼成功制備了從紅外到可見光波段的二維結(jié)構(gòu)光子晶體，但這些方法仍然受到嚴格的技術(shù)限制。

最近，基于飛秒激光強雙光子或多光子吸收光聚合效應(yīng)，人們采用聚合物材料提出了兩種全新制作近紅外和可見光波段光子晶體的方法。一種是飛秒雙光子或多光子聚合-逐層疊加制作法，另一種是飛秒激光多光束干涉制作法。飛秒雙光子聚合-逐層疊加法制作的3-D光子晶體制作近紅外和可見光波段光子晶體要得到光子帶隙在紅外超高密度光學(xué)存儲

信息存儲在國民經(jīng)濟建設(shè)及現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)中具有十分重要的地位。20世紀末興起的光信息存儲（簡稱光存儲）是繼磁記錄之后重要信息存儲技術(shù)，具有存儲容量大、壽命長、可替換、不易損壞等優(yōu)點。3D立體光學(xué)存儲原理

在介質(zhì)空間內(nèi)部實現(xiàn)3-D的光學(xué)存儲技術(shù)是近年來在海量存儲領(lǐng)域內(nèi)的一個新的、非常重要的發(fā)展方向。特別是最近幾年，隨著飛秒激光技術(shù)的發(fā)展成熟，基于雙光子非線性過程實現(xiàn)材料表面和內(nèi)部任意空間上的亞微米操作，為發(fā)展超高密度的3-D光學(xué)存儲技術(shù)提供了一個全新的思路。與其他三維存儲技術(shù)相比，飛秒激光雙光子存儲技術(shù)的優(yōu)點在于：①高達1012bits/cm3的巨大體存儲密度；②快速的數(shù)據(jù)讀、寫；③并行隨機存??；④存儲介質(zhì)成本低廉；⑤相鄰數(shù)據(jù)位層之間的串?dāng)_最小。超高密度光學(xué)存儲信息存儲在國民經(jīng)濟建設(shè)及現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)在激光醫(yī)療和生物工程領(lǐng)域的應(yīng)用

由于飛秒激光加工是一個高準確度、低能量、小損傷以及能夠進行三維空間嚴格定位的處理過程，因此它能夠最大限度地滿足醫(yī)學(xué)和生物領(lǐng)域內(nèi)的特殊需求。在精細醫(yī)療器件制作、激光無痛和無損傷醫(yī)療以及細胞生物工程技術(shù)等方面具有廣泛應(yīng)用前景。

在激光醫(yī)療和生物工程領(lǐng)域的應(yīng)用由于飛秒激光加工是一個制作新型特種醫(yī)療器械

在冠心病的治療方面，心血管支架置放術(shù)是避免旁路移植，簡稱“冠脈搭橋”，是手術(shù)治療冠狀動脈血管硬化的一種新型的、侵人性小的介入治療方式。這種手術(shù)一般采用不銹鋼支架，但是這種支架再狹窄問題嚴重。

2000年7月日本科學(xué)家報道了一種新聚合物，可望解決血管再狹窄問題。這種聚合物實際上是一種半結(jié)晶的熱塑料聚酯，具有生物相容性和生物降解性的優(yōu)點。盡管它也具有很好的機械特性，但非常脆弱，因此采用機械工具很難完成支架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的精細制作。如果采用傳統(tǒng)的長脈沖激光技術(shù)，則加工過程中的熱熔相變將會嚴重損壞材料原有的特性。

盡管這種聚合物材料對于鈦寶石飛秒激光的波長來說是透明的，但基于光脈沖高峰值強度造成的多光子吸收過程，2002年1月德國漢諾威激光中心的ThorstenBauer等人報道在這種聚合物材料上完成了血管支架結(jié)構(gòu)的突破性制作，如右圖所示。

制作新型特種醫(yī)療器械在冠心病的治療方面，心血管支架無痛和無損傷醫(yī)療

與長脈沖激光相比，飛秒激光能量高度集中，作用期間幾乎沒有熱量傳輸效應(yīng)，因此也不會引起周圍環(huán)境溫度的上升，這在激光手術(shù)醫(yī)療應(yīng)用方面非常重要。數(shù)度的溫度上升一方面會在瞬間變成壓力波傳到神經(jīng)細胞產(chǎn)生痛感，另一方面可能會對生物體組織造成致命傷害。因此，飛秒激光可以實現(xiàn)無痛和無損傷的安全治療。對于人體中質(zhì)地堅硬的鈣化組織的治療，如牙齒等，一般采用機械鉆孔或Er:YAG激光燒蝕方法。這兩種方法容易造