超快相互作用 透明材料加工 双光子聚合 3D / 4D 微制造
应用背景#
飞秒激光（femtosecond laser，fs laser）是脉冲宽度处于飞秒量级的激光，\(1\ \mathrm{fs}=10^{-15}\ \mathrm{s}\)。其超短脉冲宽度和超高峰值功率带来四项核心能力：
作用时间短于皮秒量级热弛豫时间，热影响区极小。
透明材料也可经多光子吸收、隧穿电离吸收能量。
聚焦至透明材料内部，直接制造体内三维结构。
形成 LIPSS、纳米光栅、色心和纳米晶体。
“冷”加工中，脉冲作用时间远小于电子—声子耦合等热弛豫时间，能量在扩散前即被吸收和去除，因此几乎没有熔融、重铸和裂纹。非线性吸收又突破了材料对特定波长的线性吸收限制，使金属、半导体、电介质、聚合物乃至生物组织都可加工。
主要应用包括：
- 微电子与光子学： 光波导、光子晶体、微谐振腔、片上集成光路和传感器；
- 微纳机电系统： 微型传感器、执行器和微马达；
- 生物医学： 微流控芯片、药物递送系统、组织工程支架、生物传感器和微针阵列；
- 新材料与表面工程： 超疏水／超亲水表面、减反射结构和催化材料；
- 数据存储： 五维光存储；
- 人工智能光子学： 光学神经网络和光计算单元。
飞秒激光与物质相互作用：基础#
- 飞秒尺度（fs）： 激光激发光学活性电子态，出现电子加热、电子—晶格平衡、非热相变和库仑爆炸等超快过程；
- 皮秒尺度（ps）： 激发电子把能量传给原子振动，诱导均匀熔化等非平衡相变；
- 纳秒尺度（ns）： 辐照区冷却、凝固，发生异质熔化、熔体流动、再凝固和微结构改性。
相互作用与电离机制
飞秒激光—物质相互作用的核心是非线性特性：脉冲极短、能量高度集中、光子密度极高。
- 多光子电离： 电子同时吸收多个光子，跃迁至导带成为自由电子，对透明材料尤其重要；
- 隧穿电离： 强激光电场使库仑势垒扭曲变窄，价电子以一定概率直接隧穿成为自由电子；
- 雪崩电离： 已有自由电子被激光场加速，与束缚电子碰撞并使其电离，产生雪崩效应。
能量传递与相变
- 金属： 大量自由电子直接吸收光子并快速升温，再通过电子—电子碰撞和电子—声子耦合把能量传给晶格，引发晶格升温、熔化和气化；
- 非金属： 电介质和半导体先经电离产生自由电子并形成等离子体，等离子体吸收能量后再传给晶格；
- 非热熔化／烧蚀： 电子系统被强烈激发，晶格可在未达到热平衡熔点前结构失稳、熔化或直接烧蚀，这是“冷加工”的关键；
- 热熔化／烧蚀： 能量经电子—声子耦合传入晶格，引起传统熔化和烧蚀；
- 库仑爆炸： 大量电子被迅速剥离，剩余正离子的库仑斥力使材料表层爆炸性去除；
- 光机械剥离／相爆炸： 快速加热和高压造成内部空洞、层裂，或材料到达超临界状态后爆炸性分解。
飞秒激光物理改性
表面改性
- 激光诱导周期性表面结构（LIPSS）： 周期通常小于或接近波长，由入射光与表面等离激元或散射光干涉形成，可调控减反射、结构色、润湿性和摩擦学特性；
- 光捕获结构： 例如在硅表面构筑微纳结构，以增强太阳能电池吸光。
体材料改性
- 折射率改变： 是透明材料中制造光波导和光栅的基础，可形成平滑折射率增加、纳米光栅双折射或微空洞改性区；
- 晶化改性： 局部加热和快速冷却改变结晶状态；
- 微空洞／微通道： 高能量聚焦造成材料内部微爆炸，形成可用于微流控的空洞和通道。
微纳去除与沉积
传统纳秒钻孔存在尺度限制、质量较差、应力裂纹、重铸层和碎裂等问题。飞秒脉冲热扩散极小，能量沉积更可控，可获得缺陷少、热损伤小、空间分辨率高的微尺度结构。切割与划线则常用于半导体、玻璃和蓝宝石等硬脆材料。
沉积： 飞秒激光烧蚀靶材后，可让烧蚀产物沉积于基底，形成薄膜或纳米颗粒。
双光子聚合与光化学反应
**双光子聚合（TPP）／双光子光刻（TPL）**是飞秒激光在增材制造中最重要的应用之一。光刻胶中的光引发剂同时吸收两个或多个光子，进入激发态并引发聚合，使液态树脂只在焦点体素内固化。由于双光子吸收概率与光强平方成正比，聚合区域可被严格限制，实现超越衍射极限的三维分辨率。
其优势是真正的三维自由成型与高分辨率，特征尺寸可达百纳米甚至数十纳米。
其他诱导现象
光致发光： 例如稀土掺杂玻璃中的上转换荧光和长余辉。
色心： 飞秒烧蚀或内部改性可在金刚石中生成 NV 色心，这是量子传感和量子计算的重要单元。
纳米光栅： 透明材料内部的周期性纳米结构具有双折射，可用于偏振光学元件、数据存储和传感器。
纳米晶体： 飞秒激光产生的局部高温高压环境，可在玻璃等基质中原位生成钙钛矿等纳米晶体，用于发光器件、太阳能电池和光学数据存储。
光学特性定制： 调节写入参数，可在石英等非手性材料中诱导可调手性光学特性。
透明材料飞秒激光微纳加工#
玻璃与石英玻璃
玻璃是最常用的材料之一，具有优良的光学和化学稳定性，可通过不同改性制造微通道、体光栅和波导。石英玻璃凭借高损伤阈值和优良紫外透过性，成为飞秒加工研究和应用的标杆材料。
聚合物
聚合物加工能耗低、易成型、成本低、材料种类多且易掺杂，可用于光存储、微通道、光栅和波导。TPP 聚合物加工已非常成熟，但热稳定性和机械强度可能弱于玻璃或晶体。
金刚石、蓝宝石与晶体
金刚石： 可制造 NV 色心、光波导、微流控芯片和量子传感器。加工难度虽高，但其高硬度、高导热率、宽禁带和生物相容性使其在极端环境和量子应用中极具价值。
蓝宝石： 具有高硬度、高热稳定性和高透过率，可作为光学和衬底材料，但加工容易产生裂纹与损伤。
晶体： 包括 YAG、Nd:YAG、LiNbO₃、石英和 TeO₂ 等，可加工纳米结构、波导、折射率改性区、双折射结构和微孔。LiNbO₃ 是重要的电光、声光和非线性光学晶体，飞秒直写波导或周期性极化结构对其功能化尤为重要。
凝胶、液体与光刻胶
TPP 常使用液态或凝胶态光敏树脂：
- 负性胶： 激光照射区域固化，未照射区域被洗去，例如丙烯酸酯、环氧树脂 SU-8、混合溶胶—凝胶 Ormocer® 系列及 SZ2080；
- 正性胶： 激光照射区域变得可溶，之后被洗去；
- 关键特性： 透明性、双光子吸收截面、固化收缩率、机械强度和生物相容性。
脉冲整形与高通量加工#
飞秒激光脉冲整形
时间整形控制能量在时间上的分布，例如产生脉冲串，以优化材料去除、减少热积累并提高质量。常用方法包括分束器、声光调制器、傅里叶脉冲整形器和薄膜谐振腔。
空间整形改变光斑的空间能量分布，形成平顶、贝塞尔或涡旋光束。常用器件包括衍射光学元件（DOE）、双折射透镜组和空间光调制器（SLM）。
频率整形利用二次谐波、光学参量放大等非线性效应改变激光波长。
脉冲整形是提升加工能力的关键：时间整形的脉冲串可显著提高玻璃切割、钻孔效率与质量；空间整形，特别是贝塞尔光束和 SLM，扩展了加工灵活性和三维能力。
飞秒激光高通量加工
传统逐点扫描效率低，可通过三类策略提升：
- 激光源与系统： 使用更高功率、更高重复频率激光器，以及更快、更精确的振镜和运动平台；
- 多焦点与多光束干涉： 微透镜阵列或 DOE 产生多个焦点；多束激光干涉生成周期性图案，实现并行、大面积加工；
- 全息图案加工： SLM 或 DMD 加载计算全息图，把激光整形成目标图案，执行面加工或投影加工。
4D 打印与纳米尺度加工#
飞秒激光微纳 4D 打印
4D 打印 = 3D 打印 + 时间维度。 制造出的三维结构可在温度、pH、光、磁场、溶剂等外部激励下，随时间改变形状、性质或功能。
4D 打印为动态可重构微器件和智能系统开辟了新路径，在软体机器人、生物医学器件和传感器等领域潜力巨大。
飞秒激光超分辨纳米加工
目标是突破光学衍射极限，实现数十纳米甚至几纳米的特征尺寸。两个关键参数是：线宽，即最小可加工尺寸；写入分辨率，即两个相邻结构间的最小可分辨距离。
- 近场技术： 自适应扫描光学显微镜、近场扫描光学显微镜和微球辅助技术；受作用距离限制，通常用于表面加工；
- 远场技术： 主要基于 TPP，通过精确控制功率、曝光时间和扫描速度，把聚合限制在阈值附近的极小区域，并使用高灵敏度、低扩散光刻胶；
- STED 启发式光刻： 高斯激发光引发聚合，环形抑制光通过受激发射等机制淬灭激发态，“压缩”有效聚合区域，提高分辨率。
功能材料异质集成#
异质集成把不同种类、不同功能的材料或组件集成到一个器件或系统中，获得单一材料无法实现的增强功能或全新功能，在光子集成电路（PIC）中尤为重要。
- 单片集成： 例如在硅衬底上外延生长化合物半导体；
- 混合集成： 通过键合等方式连接不同材料组件；
- 脉冲激光沉积： 烧蚀靶材并把气化物沉积到基底；
- 飞秒激光直写： 在体材料内部直写波导等结构，与既有结构实现光学连接；
- 范德华集成： 利用范德华力堆叠二维材料或纳米膜，对晶格匹配要求低。
3D 功能微器件应用实例#
微流控芯片
飞秒激光辅助刻蚀和水辅助飞秒钻孔可制造复杂的三维微流控器件。
微光学
可制造微透镜、微波片和三维光子晶体等。
微机械
飞秒加工可制造微谐振腔和微执行器。
微机器人
微机器人主要基于 4D 打印技术，可在微尺度运动和执行任务。
微电子
飞秒激光可制造柔性电子器件、传感器和电极。
微生物器件
- 微针阵列： 用于无痛、微创的药物递送、疫苗接种和生物流体采样；
- 生物支架： 用于组织工程和细胞生物学研究，为细胞生长提供三维环境。
原文图注为“TPP 制造的各种微针阵列及仿生细胞支架”，但提供的离线 HTML 中对应图片容器为空，资源目录也没有该图，因此仅保留图注信息，不使用其他图片代替。
人工智能光子学
利用光学原理和光子器件执行人工智能计算，具有高带宽、低功耗潜力。
电离、等离子体与超快能量传递。
烧蚀、直写、聚合、整形和并行加工。
光、机、电、生物和智能系统集成。
以上。
引用#
- Gao, L., Zhang, Q., & Gu, M. “Femtosecond laser micro/nano processing: from fundamental to applications.” International Journal of Extreme Manufacturing, 7, 022010 (2025). DOI: 10.1088/2631-7990/ad943e.
原文发布于“激光之研”，2025 年 5 月 23 日 07:26，重庆。查看原文
