从1995年飞秒激光开始用于材料加工以来,由于其独特的加工优势很快得到人们广泛的关注。2003年Rizvi NH总结了飞秒激光对金属、玻璃、金刚石、各种聚合物、陶瓷等材料的微加工进展情况,从各方面证实了飞秒激光是一种优秀的微加工光源。飞秒激光非线性现象所引发的一系列新的应用如在玻璃内部写入光波导、耦合器、光栅、光子晶体、微光学元件等,以及利用多光子聚合产生亚微米结构超衍射极限加工方面。

一.玻璃材料加工应用方向

1. 光波导

1996年,日本的Davis K M等人首次利用再生放大的钛宝石飞秒激光成功地在各种玻璃(如高硅玻璃﹑硼酸盐玻璃、钠钙玻璃及氟化玻璃)内得到光波导,检测到纯硅、掺锗硅玻璃被照区域折射率增加量(△n)为0.01至0.0351,23。1999年日本物理化学研究所(RIKEN)的Sung-Hak Cho等人在光纤纤芯中得到长度为9~10mm单模光波导结构并检测到最大的折射率变化量为0.021124。

2. 耦合器

1999年,美国Homoelle D等人利用钛宝石飞秒放大器输出的飞秒激光脉冲,分别使纯熔融二氧化硅和掺硼石英玻璃折射率增大3x10-3和5x10-3，在纯熔融二氧化硅内部获得Y型耦合器。美国康宁公司Streltsov A M等人于2001年首次利用飞秒钛宝石振荡器输出的纳焦飞秒脉冲在 Schott KZF2硅酸硼玻璃内加工得到定向耦合器圈。

3. 光栅

2000年,日本科技株式会社的Kawamura K 等人首次通过两束红外飞秒激光发生干涉,在各种透明的电介质材料(如蓝宝石单晶、二氧化硅玻璃等)上得到表面浮雕全息光栅。该方法是产生两束飞秒激光然后经过普通的聚焦透镜,样品置于激光焦平面。法国巴黎理工学校 Sudrie L等人利用再生放大的钛宝石飞秒激光在熔融二氧化硅内写入永久性双折射结构,得到线宽6~7um周期为20um的光栅。

4. 光存储

1999年.日本QiuJ等人首次观察到红外飞秒脉冲照射后的氟错酸盐玻璃内的永久性光致还原现象(Eu*还原为Eu"+),该现象提供了一种具有高存储密度的三维光存储方法。2000年,日本大阪大学: Wataru Watanabe等人首次研究了飞秒激光脉冲照射二氧化硅玻璃时对空穴的捕获及两空穴的合并现象,提供了一种新的可再写三维光存储技术。

5. 各种非线性晶体

2000年,日本Kiyotaka Miura等人首次成功地利用800nm飞秒激光在 BaO-AlgOs-BgO玻璃内部生长出具有单晶结构的BBO(偏硼酸钡)倍频晶体,并观察到入射红外激光的蓝色倍频光3。样品玻璃的组成是47.5BaO:5AIgOg:47.5B.Os,飞秒激光经显微物镜聚焦到样品内部,发现激光辐照部分有球形区域形成,并随时间扩大然后变为恒值。当停止激光辐照时,圆形面积有轻微的缩小然后保持固定。分析认为,球形区域的形成是由于聚焦激光束的压力波和局部受热造成的。当照射10分钟后,在焦点附近有晶体产生。移动激光束焦点位置可在玻璃样品内连续地产生频率变换晶体。

6. 微光学元件

2003年,日本物理化学研究所(RIKEN)的 Ya Cheng 等人利用飞秒激光在光敏玻璃内(Foturan)制作了三维微光学元件!K。实验中他们不仅在玻璃内部制作了45°内部微型反射镜,还制作了由三个内部微型反射镜组成的光学回路,可以使光束在4mm x5mm面积内转270°。实验过程中发现,如果对样品作退火处理,刻蚀表面的粗糙程度会得到很大改善,从而也改善了光学元件的光学性能。

二.飞秒加工系统简介

津镭光电开发的飞秒激光微纳加工系统，集成度高，体积小；使用轻质高强的工业级铝作为主体结构，保证了系统的稳定性的同时，也更便于运输；光路内置辅助模块，使得系统光更容易定焦，同时也简化了光路的调节。系统配置一体化的软件，操作简单，可以实时观察整个加工过程。加工系统支持各种定制，可满足不同应用的需求。主要应用在光纤光栅，光波导，光学超材料结构，微孔加工等方面，可拓展到其他微纳米结构加工制造，如微流控芯片，光栅，微透镜，柔性传感器，精密切割，材料表面处理等更多应用中。Genlaser开发的激光加工系统几乎可以应用在所有的微加工领域。