在当今高精度、高效率制造业的需求下，飞秒激光加工技术以其卓越的加工精度和非凡的适用性，迅速在各大领域中崭露头角。飞秒激光加工（Femtosecond Laser Machining）是一种利用超短脉冲激光进行材料加工的技术，其脉冲持续时间仅为飞秒级（1飞秒=10^-15秒），几乎不会产生热效应，因此可以实现极高精度的无损加工，在微纳米级别的加工中表现尤为出色。更特别的是，由于飞秒激光的电磁波本性，它可以在透明材料内部实现各种加工过程，实现真正的三维微纳米制造。

此外，飞秒激光由于极高的峰值功率，无论是金属、陶瓷、聚合物还是复合材料，飞秒激光都能应对自如，拥有广泛的材料适用性，已经被广泛的应用于制备微光学、微机械、微电子等领域的微纳器件。

飞秒激光加工原理与方法

近年来，飞秒激光加工技术飞速发展，也有许多基于飞秒激光的复合方法被提出。从飞秒激光与材料相互作用的角度来区分，各种飞秒激光加工的技术总计可以分为三类：飞秒激光增材制造、飞秒激光等材制造以及飞秒激光减材制造。

如图1a所示，飞秒激光增材制造的代表方法是飞秒激光双光子聚合3D打印技术，其基本原理是激光焦点处的双光子吸收和光聚合反应，主要应用于光刻胶等软材料的内部改性，可以逐层构建出复杂的三维微纳米结构。如图1b所示，飞秒激光等材制造的代表方法是飞秒激光诱导材料内部折射率变化，这个过程没有材料的去除，其基本原理是硬脆材料内部对飞秒激光的非线性吸收过程，代表应用是光波导和光纤光栅等。如图1c所示，飞秒激光减材制造的代表方法是飞秒激光表面烧蚀加工及可选的各种后处理手段，利用飞秒激光极高的峰值功率和极短的脉冲时间实现材料的“冷”去除，主要应用于制备各种功能性表面以及微切割、微打孔等领域。接下来将详细介绍这三类飞秒激光加工技术的应用。

图1 飞秒激光增材、等材、减材制造的示意图

飞秒激光加工应用方向

1.飞秒激光增材制造之双光子聚合3D打印

双光子聚合3D打印（Two-Photon Polymerization, TPP）是一种先进的微纳米级三维打印技术，利用双光子吸收效应来实现高精度的三维微结构制造。其基本原理为双光子吸收和光聚合反应，即当超快脉冲激光（如飞秒激光）的光子密度足够高时，材料中的分子可以同时吸收两个光子，发生双光子吸收。双光子吸收这一过程仅在激光焦点处发生，从而实现了飞秒激光加工的高空间选择性。

另外在双光子吸收过程中，材料中的光引发剂分子被激发，引发光聚合反应，使光敏树脂在焦点处固化，通过精确控制激光焦点的移动便可以逐层构建出复杂的三维微纳米结构。如图2分别展示了双光子聚合的代表工作纳米牛，以及该技术可以用来制备的菲涅耳波带片等衍射光学元件、复眼微透镜阵列等折射光学元件、微流控元件、集成光学元件等。

总之，飞秒激光双光子聚合3D打印技术能够根据特定需求进行定制化制造，适用于生产小批量、高复杂度和个性化的产品，这在医疗器械、定制化电子元件和特殊用途的精密部件制造中具有重要意义。

图2 双光子聚合3D打印 （a）纳米牛；（b）衍射光学元件；（c）折射光学元件；（d）微流控元件；（e）集成光学元件

2.飞秒激光等材制造之光波导刻写

随着社会信息化程度的不断深化，人们对信道容量和通信速率的需求也越来越高。为解决传统的电子芯片集成度难以进一步提升的问题，研究者们提出了具有更高的稳定性和更快的计算速度的光子芯片概念。使用飞秒激光可以在硬质材料内部制备真三维光子芯片，通过精确控制飞秒激光的曝光量、扫描轨迹以及散射体植入的方式，可以调控光子芯片的最基本单元——波导的各项特性，比如模场尺寸、偏振、损耗以及单/多模条件等。

进一步地，通过设计不同波导之间的耦合情况，可以实现量子模拟，还可以通过设计几种参数空间中的不同泵浦路径的波导结构，实现索利斯光子泵的非阿贝尔特性以及与泵浦方式相关联的Wilczek–Zee和乐变换。如图3a所示则为通过空间光调制器进行光斑形状调整进而在材料内部制备波导的示意图，图3b-图3d分别是基于飞秒激光直写的三维偏振旋转器，大纵深大规模深度连续变化波导阵列以及集成光子芯片。

图3 光波导刻写 （a）示意图；（b）三维偏转旋转器；（c）大纵深大规模深度连续变化波导阵列；（d）集成光子芯片

3. 飞秒激光等材制造之光纤光栅刻写

光纤光栅作为一种重要的光纤光学器件，具有抗电磁干扰、低传输损耗，以及体积小、易复用和易集成等显著优势，被广泛应用于光纤传感、光纤通讯和微波光子学等众多领域，为光纤通信与光纤传感等领域带来了里程碑式的革命。因此，开展光纤光栅的制备方法及特性的研究不仅有助于摆脱基于光纤光栅的关键器件依赖进口的局面，也有利于加快解决技术和工艺方面 “卡脖子”难题。同时，还能为进一步推动光纤光栅技术在更多领域应用的成熟化、规模化和产业化提供有力支撑和有效保障。

飞秒激光加工技术为光纤光栅的制备提供了有利条件，得益于飞秒激光窄带宽，高能量和高精度等优点，聚焦到纤芯内部的飞秒激光通过多光子吸收过程实现了纤芯内折射率的调制，对光场产生周期性的“微扰”即得到光纤光栅，并且过程中无需依赖于光纤的光敏性，大大降低了光栅制备的复杂度。而且飞秒激光能够在各种类型的光纤材料上进行刻写，包括标准的单模光纤、多模光纤、掺饵光纤等，这为不同的应用需求提供了灵活的选择，拓宽了其在传感、通信、激光器和放大器等领域的应用，为光纤技术的发展提供了强大的支持。

如图4所示则分别为应用于高温探测的蓝宝石光纤布拉格光栅、应用于应力传感的逐点刻写切趾光纤光栅，以及激光诱导折射率变化刻写长周期光纤光栅和蓝宝石螺旋型光纤光栅。

图4 光纤光栅刻写 （a）蓝宝石光纤布拉格光栅；（b）切趾光纤光栅；（c）长周期光纤光栅；（d）蓝宝石螺旋型光纤光栅

4.飞秒激光减材制造之功能性表面的制备

飞秒激光能够实现纳米级别的精细加工，适用于制造高精度的表面微纳结构，实现表面功能的定制化。例如图5a所示的用于防污、防腐和自清洁等领域的超疏水和超亲水表面；图5b所示的用于光学器件、太阳能电池以及航空航天等领域的抗反射和增透表面；图5c所示的用于表面传热性能或隔热性能调控的热调控表面以及图5d所示的用于细胞附着和生长的生物医学植入物和组织工程等生物相容性表面。

总之，飞秒激光在表面微纳结构制备领域的应用，极大地提高了加工精度和效率，拓展了功能性表面的应用范围，为未来的材料科学、光学、电子、机械和生物医学等领域提供了强有力的技术支持。

图5 功能性表面（a）超疏水表面；（b）增透蓝宝石表面；（c）热调控表面；（d）生物相容性表面

5.飞秒激光减材制造之多材料切割打孔

飞秒激光在材料表面切割和打孔方面的应用，因其高精度、低热影响、高效能量吸收等优势，在许多高技术含量的领域得到了广泛的认可和应用。例如电子制造领域中，用于芯片制造的切割和打孔需要确保芯片边缘整齐无缺陷；医疗器械领域中，用于微创手术器械的精密手术刀、微型钳子等；用于航空航天工业的钛合金和复合材料的精密切割和打孔，以便于飞机和航天器的关键部件制备；用于汽车零部件制造的精密加工涡轮叶片、发动机部件的切割和打孔，提高加工精度和效率。

总之，飞秒激光在材料切割和打孔方面的广泛应用，使其在各种通信设备、精密仪器、新能源电池、奢侈品制造等高精密度、高附加值的行业中具有巨大的市场潜力，随着技术的不断进步和应用领域的扩展，飞秒激光将在更多行业中发挥重要作用。图6a展示了飞秒激光在玻璃、半导体、激光晶体、铁电体等多种透明材料中实现了横向精度为10 nm，深宽比为10⁴的纳米深加工以实现超隐形切割的卓越优势，以及图6b和图6c所示的在蓝宝石、硅等硬脆材料表面实现的精密打孔性能。

图6 多材料切割打孔（a）超隐形切割；（b）镀铝蓝宝石圆孔、方孔加工；（c）硅片群孔加工

吉成超快的颠覆性超快解决方案

吉成超快公司攻克了制约超快激光工程化应用的多项核心技术，包含基于激光成丝与激光改性的硬脆材料精密加工技术、高精度光机电协同控制技术、激光壳层扫描技术、光束稳定性控制技术以及误差预测与补偿等技术等；攻克装备性能提升研究和工业化设计难题，推出了2大类飞秒激光加工系统，分别为：1）马良（Maleon）系列超快激光双光子聚合3D打印系统；适用于微光学、微流控、集成光子学、生物光子学等方向应用；2）鲁班（Roban）系列飞秒激光放大器微纳加工系统；适用于光纤光栅、光波导、材料表面精密加工，集成光子芯片等方向。

图7 （a）Maleon飞秒激光双光子聚合3D打印系统，（b）Roban-waveguide 飞秒激光光波导直写系统，（c）Roban-FBG 飞秒激光光纤光栅刻写系统，（d）Roban-Nano飞秒激光加工工作站（支持各类深度定制应用）

吉林省吉成超快设备有限公司依托吉林大学集成光电子学国家重点实验室超快激光加工团队于2019年成立。团队拥有近20年飞秒激光加工技术积累，团队相关研究成果“特种光电器件的超快激光微纳制备基础研究”获2020年国家自然科学二等奖；“光学FIB效应”获2023年国家自然科学二等奖。

公司的飞秒激光微纳加工系统目前已申请了多项专利与商标进行知识产权保护，推出的飞秒激光加工系统已被清华大学、中国科学技术大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、南京邮电大学、安徽大学、广东工业大学、河北大学、河北工业大学、华为技术有限公司等数十所科研院所或企业研发中心应用。

作者简介：

祁金勇，博士，吉林省吉成超快设备有限公司，工艺经理，从事飞秒激光加工工艺研究。