Transcript 第8章
第 8 章 飛秒雷射加工技術 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 概 述 飛秒雷射微加工機制 飛秒雷射加工特點 飛秒雷射加工應用 飛秒雷射微奈加工系統 飛秒雷射加工研究及進展 8.1 概 述 飛秒雷射是一種以脈衝形式運轉的雷射，持續時間 非常短。超快是飛秒雷射的第一個特點。飛秒雷射 的第二個特點是具有非常高的瞬時功率，可達到百 萬億瓦，飛秒雷射的第三個特點是超強，當把飛秒 雷射聚焦時，所產生的電磁場的強度比原子核對其 周圍電子的作用力還要高數倍。 飛秒雷射的一個重要的應用就是微精細加工。通常， 依雷射脈衝標準來講，持續時間大於10ps（相當於熱 傳導時間）的雷射脈衝屬於長脈衝，用它來加工材 料，由於熱效應使周圍材料發生變化，而影響加工 精度。脈衝寬度只有幾千萬億分之一秒的飛秒超短 雷射脈衝的微奈加工，往往是在極短的時間、極小 的空間和極端的物理條件下，對物質進行加工的。 不僅可以改進現有雷射材料微加工的不足之處，還 可以完成傳統雷射加工無法實現的工作。 8.2 飛秒雷射微加工機制 8.2.1 飛秒雷射微加工的多光子吸收 當激發態的電離能大於1個光子的能量時，如果照 射到物質上的雷射光強度足夠大，就會產生同時 吸收多個光子的現象。多光子的吸收率非常大， 若將遷移所必須吸收的光子數設為n，則光子吸收 率A與光強度I的n次方成正比，即 A µ I n ( x, t ) 飛秒雷射脈衝寬度極短，聚焦後可在較低的脈衝 能量下，獲得極高的峰值功率密度，尤其是焦點 中心處的峰值功率密度更高，在1020W/cm2以上， 該光電場強度比原子內部庫侖電場（1018～ 1021W/cm2）還要高。因此飛秒雷射與物質的作用， 伴隨著強烈的非線性效應，物質對光的吸收過程， 也是非線性的多光子吸收過程。 8.2.2 多光子吸收的閾值 對具有極高電場強度的超短脈衝而言，材料一旦 發生這種多光子吸收，將直接電離產生自由電子 作為種子電子，這些種子電子密度會非常高，並 能進一步吸收光子產生更多的自由電子。這些種 子電子並不依賴於介質，且不呈現大的統計波動。 因此，飛秒雷射脈衝的多光子吸收閾值（或稱為 損傷閾值、擊穿閾值）變得很精確。也就是說， 飛秒雷射進行微加工有固定和精確的加工閾值， 加工和不加工有著明顯的區分，加工過程重現性 好、精密度高。飛秒脈衝的微加工可以達到微米 和次微米精度。 8.2.3 飛秒雷射微加工的實現原理 飛秒雷射的鐘形光能量分佈（如基模），使光斑 D X（與 同量級）內的光強度分佈存在較大的梯 d 度，這樣焦點光斑內的光強度I(x，t)是位置x的函 數。光斑中心區域( D X m = λ )的光強度極高，超過 多光子吸收閾值；而光斑其他部份的光強度相對 較低，小於擊穿閾值。對超短脈衝而言，每個脈 衝總的雷射能量有限，且只有超過多光子吸收閾 值的聚焦光斑的小部份中心區域的物質會大量吸 收雷射能量，並被加熱到熔化或汽化溫度，因此 加工變得很精確。 圖8.1 飛秒雷射焦斑的光強度分佈和多光子吸收區域示意 8.2.4 飛秒雷射表面加工機制 飛秒雷射脈衝寬度極短，聚焦到材料表面後，焦點 處的光電場強度比原子內部庫侖電場還要高，由於 作用時間極短且光電場強度極高，通過多光子吸收， 導致雷射聚焦光斑的小部份中心區域的物質會迅速 被加熱到汽化溫度，由於能量還沒來得及擴散，材 料已經被加熱到極高的溫度，直接以氣相蒸發。材 料以氣相蒸發的同時帶走大部份熱量，這樣在材料 內形成很大的溫度梯度，因此，熱擴散對焦點周圍 影響很小，使材料去除變得很精確。這樣就克服了 困擾長脈衝雷射加工過程中，熱擴散帶來的材料熔 化變形現象，而飛秒雷射可實現高精密加工（或微 加工）。 8.2.5 透明材料內部微加工機制 在透明材料中，束縛電子的電離能比雷射光子能 量高，物質不能線性地吸收可見與近紅外雷射。 當通過聚焦飛秒雷射到透明材料內部，使聚焦焦 點處的光電場強度超過多光子吸收閾值時，由於 多光子吸收導致雷射聚焦光斑的小部份中心區域 的透明介質，首先變成能大量吸收光能量的電漿， 而使這一小部份物質加熱膨脹，但周圍材料限制 其膨脹。 就會導致其物理介質發生不可逆的損傷，如折射 率的增大。這種特性的變化可以歸因於局部熔化、 色心的形成或紫外線增濃等模擬機制。 8.2.6 雙光子聚合機制 雙光子聚合就是單體（或低聚物）的小分子有機 物，在高功率密度的飛秒雷射照射下，發生雙光 子聚合反應，生成大分子的聚合物（圖8.2）。 圖8.2 雙光子聚合反應 因為雙光子聚合的閾值很精確，若飛秒雷射的強 度，在橫截面內的分佈是鐘形的，如果將雷射能 量調節在只有光斑中心處的功率密度剛剛超過雙 光子吸收的閾值（位於ΔXm以內的光），這樣只 有大於閾值的焦點中心的一小部份發生雙光子聚 合反應，並產生固化。所以雙光子聚合可以獲得 小於焦斑直徑（ΔXd）的結構，最小可達到 120nm的特徵尺寸。 8.3 飛秒雷射加工特點 飛秒雷射的高速能量局部注入，迴避了電漿屏蔽 效應和熱擴散損失。有用光的轉換效率極高，這 主要是由於多光子吸收率大（正比於In），沒有熔 融區，沒有重鑄層，不產生微裂紋，不產生導致 結構損壞的衝擊波，不損壞臨近結構組織。 8.3.1 電漿屏蔽的迴避 飛秒雷射脈衝在電漿膨脹前，已全部注入到了固 體表面。雷射電漿從表面向外側膨脹時的膨脹速 度約為104m/s量級，若使用100fs以下超短脈衝雷 射加工，很明顯在電漿膨脹前，雷射照射就終止 了，迴避了電漿屏蔽。 8.3.2 熱擴散損失的迴避 雷射脈衝可以在極短的時間內向加工區注入能量。 因此照射到材料中的能量在熱擴散前，雷射脈衝 就已終止，所以能量沒有在照射區域外的熱擴散 損失，可以得到高效加工。 8.4 飛秒雷射加工應用 8.4.1 飛秒雷射的材料去除加工 飛秒雷射加工很精細，其熱影響區非常小，沒有 熔化及再凝固痕跡，呈現銳利的加工邊緣，且加 工精度很高。與此相比，長脈衝雷射燒蝕閾值高 且存在很強的熱擴散，熱量將從照射區擴散到很 大的區域，在雷射輻照區及周圍的大範圍內發生 熔化和飛濺現象，材料的表面和加工區周圍會形 成重鑄熔融相的突起物，使得加工區邊緣不清晰， 為再凝固材料所包圍，故加工精度低。 圖8.3 長脈衝雷射和飛秒雷射的金屬材料加工對比 一、鐵鎳合金的加工 圖8.4(a)為採用脈寬為8ns，能量為0.5mJ長脈衝雷 射，在1mm厚鐵鎳合金薄片上加工的25m寬溝槽， 邊緣可見不規則的熔渣重鑄物。而採用飛秒雷射 加工的溝槽［圖8.4(b)］，加工邊緣非常乾淨銳利， 精度很高。 圖8.4 雷射對鐵鎳合金薄片的切割 二、金屬鎳的加工 圖8.5 飛秒雷射在金屬鎳上打100m直徑的通孔 圖8.6 飛秒雷射在金屬鎳上打100m直徑的斜孔 圖8.7 飛秒雷射加工的鎳倍增器電極 三、鋁箔上打孔 用60fs、3.3J的飛秒雷射脈衝，在18m厚的鋁箔 上打孔徑為10m的10×10孔陣列，其中打每個孔用 18個脈衝。 圖8.8 飛秒雷射在鋁箔上打孔陣列 四、不銹鋼上打孔 圖8.9(a)是用摻鈦藍寶石飛秒雷射（脈寬為120fs， 脈衝重複頻率為1kHz），在厚度為750m的不銹 鋼上，以45打出直徑為400m小孔的截面圖。將 它局部放大後，如圖8.9(b)所示，基本上看不到熱 量對邊緣的影響，可以看到線條清晰的邊緣。 圖8.9 飛秒雷射在不銹鋼上以45角打直徑為400m的小孔 五、其他金屬的飛秒加工 圖8.10 飛秒雷射在厚度為100m的金屬鎢上打直徑為120m的通孔 圖8.11 飛秒雷射在金屬鎢上打的通孔剖面圖 圖8.12 飛秒雷射在厚度為100m的金屬錸上打孔 圖8.13 飛秒雷射在厚度為1mm的金屬鉬上 加工寬度為5m的溝槽（中心距離10m） 圖8.14 飛秒雷射在厚度為1mm的金屬鉬上打直徑5m孔（中心距離10m） 圖8.15 飛秒雷射在合金上加工的微柱 六、發動機噴嘴上打微孔 飛秒雷射可進行“無熱加工”，可以非熔化性生 產精確的幾何形狀，用飛秒雷射加工更好的汽車 發動機噴油嘴（圖8.16），且無需後續加工。 圖8.16 用飛秒雷射器對發動機噴油嘴打微孔 七、用於熱電偶製造的超快雷射直接加工 成型方法 熱電偶結構如圖8.17(a)所示，由4層構成：氧化鋁底 層、熱電偶A、氧化鋁絕緣層和熱電偶B。如圖 8.17(a)所示，兩個熱電偶材料A和B交替放置在列上 電連接、在行上熱連接。 在通常的可用合金中，鎳鉻合金(Ni90Cr10)和銅鎳合 金(Cu55Ni45)的結合，具有最高的熱電功率，所以 選擇這兩種合金作為相異材料來製作熱電偶組。熱 電偶靈敏度與熱電偶的量有關，也就是與連接點的 數目有關。連接點越多，連接密度越大，熱電偶的 靈敏度則越高。 圖8.17 熱電偶的結構及照片 圖8.18 超快雷射加工的有81處連接的熱電偶SEM照片 八、對光掩模上奈米量級的尺寸缺陷修復[5] 光掩模是由光刻技術製備的，但由於結構極其複雜， 且為多步程序，經常存在缺陷需要修補。修補光掩 模的方法有：長脈衝雷射、聚焦離子束和飛秒雷射。 聚焦離子束加工有兩個致命弱點，即引起鎵著色和 石英基底的侵蝕，這大大降低了基底的透射率，也 大大影響基底的光學性能。長脈衝雷射加工的熱影 響區大，在去除缺陷的同時，材料熔化濺射形成殘 渣，並且對基底有燒蝕，嚴重影響基底的光學性能。 而飛秒雷射加工過程中，缺陷部份的材料以氣體形 式去除，幾乎不影響周圍區域和襯底層的光學性能， 可對光掩模上奈米量級的缺陷進行修復，圖8.20是飛 秒雷射修改的光掩模缺陷。 圖8.19 長脈衝雷射修改光掩模缺陷 圖8.20 飛秒雷射修改光掩模缺陷 九、飛秒脈衝對矽晶片的微加工 鈦寶石CPA再生放大器系統產生出重複頻率為1kHz、 脈衝寬度為150fs的雷射脈衝，中心波長為800nm，光 譜寬度約10nm。通過一個二次諧波產生器，得到實 驗中所使用的波長400nm的300fs的倍頻雷射脈衝，脈 衝能量為40～200nJ。通過一個由25m小孔，10倍的 顯微物鏡和一個焦距為40mm的凸透鏡，使雷射變成 直徑為6mm的平行光。再經過一個焦距為19mm的聚 焦透鏡，將光束聚焦成直徑為5nm（通過計算得出） 的光斑。用丙酮清洗過的厚度為500m的2"（1"＝1in ＝25.4mm。）矽晶片樣品放在三維精密移動工作檯 上，樣品以400nm/s的速度移動，進行消融加工。用 飛秒雷射進行切割矽晶片，幾乎沒有熱傳遞，精度 很高。 十、飛秒脈衝對陶瓷的微加工 飛秒雷射對陶瓷的加工精度非常高，盲孔的入口 邊緣非常銳利，沒有產生微裂紋。 圖8.21 飛秒雷射在陶瓷上打直徑為400m的盲孔 十一、飛秒脈衝對高分子材料微加工 含氟高分子材料具有高的抗化學腐蝕性，在化學 微分析方面日益受到重視，但這類材料用長脈衝 雷射難以進行高精度的微加工，然而使用飛秒雷 射則得到優良的加工效果，如圖8.22所示。 飛秒雷射不但可以進行精密加工，而且不影響材 料的機械性能，圖8.23所示為飛秒雷射加工的心臟 血管支架照片。 圖8.22 飛秒雷射加工氟化乙丙 烯橡膠樣品 圖8.23 飛秒雷射加工的心臟血管 支架照片 十二、金屬切削 使用此技術加工的金屬出現與折射晶格相同的七 彩虹反射。圖8.24所示的是使用鈦藍寶石雷射（波 長800nm，照射點尺寸41.5m×65.7m，強度 10mJ/cm2～28J/cm2，脈衝寬度5～70fs），以650nm 的間隔在銅上切削的溝槽的顯微鏡照片。溝槽深 度平均為150nm。據稱溝槽間隔能夠縮短到300nm 左右。 圖8.24 飛秒雷射切削痕跡附近產生的奈米週期溝槽照片（材料為銅） 十三、飛秒雷射拆除退役的火箭和砲彈[5] 使用1kHz、100fs的雷射切割直徑6mm、厚度2mm 的PETN炸藥而不會起火。因此，飛秒雷射有希望 作為一種冷處理工具，用於拆除退役的火箭、火 砲砲彈及其他武器。 8.4.2 飛秒雷射脈衝對透明介質的材料去除 微加工 一、飛秒脈衝對石英和玻璃等光學材料的加工 圖8.25 奈秒雷射和飛秒雷射加工對比照片 圖8.26 飛秒雷射在玻璃上打直徑為400m的孔 圖8.27 飛秒雷射在玻璃上加工寬度約120m的孔溝渠 圖8.28 飛秒雷射在玻璃上所打孔的後表面放大照片 圖8.29 飛秒雷射在玻璃上所打孔的編碼陣列放大照片 圖8.30 飛秒雷射在玻璃上所打的凹坑陣列放大照片 8.4.3 飛秒雷射對透明材料內部的三維加工 和改質 有大量實驗已經證實，利用飛秒雷射聚焦到這些 光學材料內部，由於焦點處的極高光強度，引起 的非線性多光子吸收，使極小的區域迅速升溫， 然後降溫，這一過程使光學材料的內部性質改變， 主要是折射率的變化，但不會引起破壞損傷。所 以利用飛秒雷射能夠對光學材料進行內部三維結 構微加工。 可以加工（直接寫入）三維二元數據儲存、光波 導和波導分光器等光子元件，甚至用飛秒雷射直 接寫入微光學儀器。 一、飛秒雷射對透明材料內部改質的技術條件[8] (1)飛秒雷射在透明材料內部產生永久性結構變化的閾值 飛秒雷射在透明材料內部產生永久性結構變化的能量閾值表達 式。 I th τλ2 Eth = π ( NA)2 + I th λ2 / Pcr Pcr是材料產生自聚焦的臨界光功率， 是雷射脈 衝的持續時間， 是雷射的波長，Ith是光強度閾 值（多光子吸收閾值）和NA是顯微鏡物鏡的數值 孔徑。 圖8.31 能量閾值與數值孔徑的關係曲線 (2)飛秒雷射在透明材料內部產生永久性結構變化程度及 影響因素 高度聚焦的飛秒雷射脈衝序列，可被用於透明材料內的局 部熱點源。儲存於微米級空間的能量，可以精確控制到奈 焦，沒有其他技術可使大塊材料在如此小的空間內，如此 精確地儲存能量。可以通過改變注入脈衝數量的方法，在 較高頻率下的累積熱量，來達到增大永久性結構變化的區 域。這是由於脈衝的數量增大，超過了焦點區域材料的熔 化溫度的最大極限，玻璃熔化超出的界限也就增大。由於 溫度梯度，冷卻凝固後的玻璃是非均一的，導致密度的不 同，進而引起材料折射率的變化。 圖8.32 使用1.4-NA顯微鏡物鏡聚焦的25MHz、30fs、5nJ雷射脈衝束 在玻璃中生成的結構 圖8.33 飛秒雷射在0211型康寧玻璃中產生永久性結構變化的顯微照片 (a)用10nJ、100fs的單個脈衝產生的； (b)用5nJ、100fs、25MHz的25000個脈衝產生的 二、飛秒雷射在透明材料中的三維光儲存[6] 用飛秒雷射脈衝聚焦到透明材料中，由於非線性 雙光子吸收效應，使焦點處材料的折射率改變， 獲得一個二進制記錄點，點的大小約1m。通過 在三維空間移動焦點，可在材料中獲得三維記錄 點陣列，這樣可進行高密度數據的三維光儲存， 極限儲存密度達到1013bits/cm3。另外，飛秒脈衝三 維光儲存的優點是對比度高，並可通過採用相位 對比光學顯微鏡，對數據進行連續讀出。 圖8.34 飛秒雷射三維光儲存的原理示意 圖8.35 飛秒雷射熔石英中記錄的點距 為2m的二進制數據位點的顯微照片 圖8.36 飛秒雷射製成的直徑小於 1m結構點陣列 三、超短脈衝構造光子元件[9] 1.在光學玻璃內部寫入單模光波導 在較高的重複頻率下，大量脈衝導致結構變化的 過程受控於累積熱量。通過這種累積熱效應，可 以使用一個奈焦量級的飛秒雷射振盪器，在整塊 光學材料內部寫入單模光波導。 圖8.37 飛秒雷射在0211型康寧玻璃內部寫入的單模光波導圖片及寫入方法示意 單模光波導中的圓柱體，表示出中心折射率大於 外圍材料折射率。折射率的改變表示出圓柱體中 心處的玻璃隨溫度降低而稠化。經計算波導的折 射率的改變量約為3×10-4。 通過把633nm的He-Ne雷射光束耦合到該波導中進 行測試，數據和圖像都顯示該波導為近高斯輸出 的單模光波導。 圖8.38 三維光波導及其測試示意 圖8.39 經633nm的He-He雷射光束的測試結果（波導為近高斯單模輸出） 2.超短脈衝構造其他光子構件 用這種飛秒雷射的熱量累積微加工技術，可以在 整塊玻璃內部製造更多微型光子構件。 圖8.40 飛秒雷射加工的三維光波導 圖8.41 飛秒雷射加工的光分束器 圖8.42 飛秒雷射加工的光柵 四、飛秒雷射用於光學儀器的製造 8.4.4 雙光子聚合 對於原本400nm紫外光固化的液態樹脂，在800nm 波長的摻鈦藍寶石飛秒雷射（兩個800nm波長光子 的能量等於一個400nm波長的紫外光子的能量）輻 照下，將發生的雙光子吸收聚合反應，在焦點處 形成固體，通過雷射焦點的掃描就可得到需要的 立體結構。由於雷射光的強度在橫截面內的分佈 是鐘形的，如果將雷射能量調節在剛剛超過雙光 子聚合的閾值（位於ΔXm以內的光），只有大於 閾值的焦點中心部份發生固化，這樣就可能獲得 小於焦點的結構，最小可達到120nm的特徵尺寸。 圖8.43 飛秒雷射雙光子聚合製備的點陣 圖8.44 飛秒雷射雙光子聚合製備的螺旋線 圖8.45 飛秒雷射雙光子聚合製備的微齒輪、微鏈和微牛塑像 飛秒雷射雙光子聚合方法，還可以用於製備微機 械零件，是微機械製造的一種新方法。 8.5 飛秒雷射微奈加工系統 8.5.1 飛秒雷射微奈加工系統的組成 飛秒雷射微奈加工系統主要由飛秒雷射源、微奈 加工數控操作平台和軟體組成。 圖8.46 飛秒雷射微奈加工系統的組成 圖8.47 飛秒雷射微奈加工系統的結構 1—軸向照明光源，2—聚焦物鏡，3—環形照明光源，4—加工樣品；5—三維精密 移動平臺，6—顯微物鏡，7—可變焦顯微鏡，8—CCD 圖8.48 美國Clark.MXR公司的飛秒雷射微奈加工系統的外觀 8.5.2 飛秒雷射加工用光源 一、飛秒雷射振盪源 新型的Vitesse XT是建立在原先Vitesse系統的成功 基礎上的，在鈦寶石的調諧範圍內能夠自動調諧 的飛秒脈衝雷射器。由於使用了新近開發的專利 技術——寬帶寬的負色散鏡，Vitesse XT提供了如 下的性能特點：平均功率大到1W，短波和中波調 諧範圍選擇，自動調諧選擇，小於100fs脈寬，低 功率和高功率激發選擇，長期穩定性、按鍵即用 式操作和經久的耐用性。 中國科學院物理研究所研製的飛秒摻鈦藍寶石雷射的主 要特性如下： 穩定性 平均功率 脈衝寬度 峰值功率 中心波長 ＜±1% ＞500mW（＞1W） 15～100fs ＞0.3MW（＞1MW） 800nm（可調諧） 重複頻率 模式分佈 光束直徑 偏振特性 50～100MHz TEM00模 2mm 水平 圖8.49 Vitesse飛秒雷射 圖8.50 物理研究所的飛秒振盪器實物樣機 圖8.51 輸出18fs脈衝的干涉自相關曲線 圖8.52 連續12h的鎖模輸出功率穩定性曲線 圖8.53 物理研究所的20TW飛秒摻鈦藍寶石雷射裝置 （插圖表示了第一級再生放大輸出的穩定結果） 二、飛秒雷射放大器 由於高強度的超短脈衝在放大器中會損壞光學元 件，脈衝的自聚焦效應將使情況變得更糟，因此， 不能直接對脈衝進行放大。為克服這種限制，啁 啾脈衝放大技術（CPA）被廣泛地應用在超快雷 射技術中。放大前，脈衝寬度在脈衝展寬器中被 擴展1000～10000倍，以減少峰值能量。展寬了的 脈衝在放大器中放大。最後，放大了的長脈衝在 壓縮器中被壓縮回原來的短脈衝狀態。 8.5.3 飛秒雷射參數的測定 一、飛秒雷射重複頻率的測定 通過光電傳感器，用示波器測量出光脈衝的間隔T， 則重複頻率ν可由式（8.2）計算出。 ν＝1/T （8.2） 另外，重複頻率也可以通過飛秒雷射器的共振腔 腔長來估算，即 ν＝c/L （8.3） 式中，c為光速，L為飛秒雷射器的共振腔腔長。 二、飛秒雷射單脈衝能量的測定 飛秒雷射單脈衝能量E是通過平均功率間接計算出 的。用功率計測量飛秒雷射脈衝的平均功率P，則 飛秒雷射的單脈衝能量為 E＝P/ν 式中，ν為飛秒雷射脈衝的重複頻率。 （8.4） 三、飛秒雷射脈寬測量 現有最快的光電探測器和寬帶示波器的響應時間， 只能達到幾個皮秒（10-12s）量級，不足以用於直 接測量飛秒（10-15s）雷射的脈衝寬度，目前使用 最多的測量雷射超短脈衝寬度的方法是二階自相 關法，通過二階自相關函數寬度的確定，可以導 出脈衝的寬度。 圖8.54 鎖模鈦寶石雷射脈衝的光譜和自相關函數曲線 二階自相關法就是讓待測的雷射脈衝通過一個 Michelson干涉儀一樣的裝置，使同一脈衝分為幅 度上同等大小，時間上有延遲的兩個脈衝。這樣 的兩個脈衝通過一個二倍頻的非線性晶體產生二 次諧波訊號。根據延遲時間的不同，二次諧波訊 號的大小也不同。該二次諧波訊號隨著脈衝延遲 的變化，即對應於脈衝的二階自相關函數。通常 情況下，由於一個入射脈衝只對應於某一個延遲 時間。 對於小於10fs雷射，通常的二階自相關法一般已不 能滿足精度上的要求。在這樣短的時間上，實際 上更需要的是能夠準確的確定脈衝的形狀和相位。 這往往涉及到更多的計算機後處理工作。最後所 得結果是在實驗測量的基礎上，通過反覆的模擬 和取代以及與預設判據的比較而得出的。在這一 思路下工作的兩種重要的測量方法為頻率域分辨 的光學門[Frequency Resolved Optical Gate，簡稱 FROG(“青蛙”)]法和頻域相位干涉圖直接重建電 場[Spectral Phase Interferometry for Direct Electric.field Reconstruction，簡稱SPIDER(“蜘蛛”)]法。 8.5.4 飛秒雷射加工的探測方法 一、飛秒雷射微奈加工測試系統 微奈測試主要靠高倍數顯微鏡來完成，目的是對 焦點的控制和成品的檢測。 圖8.55 微奈加工與測試系統構成圖 二、飛秒雷射加工的焦點調整 在加工前，把幻燈片薄膜放置在三維精密臺上， 用其尋找雷射的最佳聚焦位置。幻燈片薄膜沿光 軸以5～10m的步長移動，在每步上發射10個雷射 脈衝，並在每次發射雷射脈衝前橫向移動一定距 離。這樣用幻燈片薄膜上形成凹點來檢測焦點位 置，所得到的最小凹點處被認為是最佳焦點。 8.6 飛秒雷射加工研究及進展 8.6.1 國際飛秒雷射加工的發展現狀 當前水平：標準的100fs、1～5kHz、1mJ雷射放大 器已經商品化。其價格在（25～30）萬美元左右。 與自動控制的機械平移臺和光學傳輸、聚焦系統 一體化的加工機，也已經有商品出售，價格在 （45～75）萬美元左右。 8.6.2 中國飛秒雷射加工的發展現狀 目前國內有能力為客戶提供飛秒雷射器的單位， 主要有中國科學院物理研究所和天津大學精密儀 器與光電子工程學院。國內已有一些單位開始從 事飛秒雷射加工的理論與實驗研究，上海光機所 和華中科技大學都有從事飛秒雷射加工的研究人 員。南開大學和天津大學都有國際上目前最先進 的飛秒雷射加工機。 8.6.3 微奈米加工用飛秒雷射器發展趨勢 微奈米加工用飛秒雷射器總的發展趨勢是全固態 化，如摻雜Yb的晶體振盪器和放大器（較寬的光 譜，支持小於100fs的脈衝）。降低價格，如價格 達到10萬美元上下。