激光微纳加工技术

文章来源：北科新材浏览次数：5186时间：2021-01-15 QQ学术交流群：1092348845

19年前的“纳米牛”事件犹如一个按键，一经按下就开启了激光微纳加工飞速发展的历程。

自那之后，超快激光与微纳加工技术发展就逐渐成为激光加工的热门方向。超快激光能实现前所未有的极端与精密制造效果，大大拓展了激光加工的潜力和应用范围，尤其是近年来以数百飞秒至亚皮秒脉冲宽度、数百千赫兹至兆赫兹高重复频率以及数十瓦乃至上百瓦高平均功率为典型特征的新一代超快激光发展迅速，有望解决加工质量、加工精度与加工效率之间的固有矛盾，迎来新的学术研究和发展机遇。

激光微纳加工技术的雏形

2001年，发表在《自然》杂志的一篇论文称，日本大阪大学Kawata、华人科学家孙洪波等人使用激光技术，用合成树脂制成了世界上最小的牛。此研究成果的发布，在科学界引起了轰动。

一个大小相当于红血球的牛在科学家手中诞生了，它体长只有10微米，高7微米(1微米等于千分之一毫米)。

“纳米牛”结构图

该研究首次采用飞秒激光直写技术，成功突破了光学衍射极限的限制，利用波长为780纳米的飞秒激光制备出了三维立体的微结构——“纳米牛”。该结构取得了120纳米的加工分辨率。

主导此项研究的超精细激光加工领域的国际知名学者、如今是清华大学精密仪器系教授的孙洪波在当时介绍媒体采访时颇有诗情地说，“我们希望，这个牛能拉着装有药物的车，在血管中运动”。

那么，为什么要雕塑出一个牛呢？据研究人员介绍，这是因为牛有很尖的尖角，周身既有平滑部分，又有弯度很大的部分，对制作技术提出了挑战，能完美造出“纳米牛”，也就能造出各样的纳米机器。

与此同时，该研究团队还成功制备出了全世界最小的弹簧系统，这使得飞秒激光微纳加工技术真正进入了纳米器件的制备领域。飞秒激光微纳加工技术的出现，使得复杂微纳器件的制备成为了可能。

对此，吉林大学陈岐岱教授曾在接受《激光制造商情》采访时表示：飞秒激光微纳制备技术最早出现于20世纪90年代中期，当时只能做一些简单打点、划线工艺。其精度只可以实现数百纳米的范围，后来比较关键的事件是2001年孙洪波教授发表了“纳米牛”的工作，它涉及到飞秒激光微纳加工，是采用飞秒激光在聚合物材料制作的。这一研究极大地推动了超快激光维纳加工的研究进程。

孙洪波教授研究“纳米牛”的工作引起了国内外广泛关注，自此之后许多科研人员在飞秒激光双光子聚合方面做了大量工作，例如利用飞秒激光制作各种各样的3D晶片、3D造型，纳米尺度的复杂结构，还包括各高校研究机构做的各种仿生结构、生物光子学器件、微流控芯片、三维金属部件等。根据荷叶疏水属性可用飞秒激光制备仿生疏水材料表面，是近年研究一个热点

超快激光微纳加工成为时代“新宠”

超快激光微纳加工是一种超精细特种制造技术，可以加工特种材料，实现特殊结构和特定的光、电、机械等性能。该技术虽然可以不再依赖材料来制造工具，拓宽了被加工材料种类，而且无磨损可变形等优点。同时也存在能量投送与利用效率、激光功率与吸收波长选择、投送的空间精度、工具造型、加工效率与精度等方面的问题有待解决与提升。

近年来，超快激光技术发展极为迅速，随着高功率皮秒、飞秒激光和光纤超快激光技术的突破和商业化，超快激光已经从实验室走向实际工业生产应用，成为学术界和激光应用行业的热门方向。同时，也受到各国的重视，成为时代“新宠”。

飞秒激光直写技术制造微米尺度牛

超快激光能解决许多常规方法难以达到的高、精、尖、硬、难等等加工问题，实现令人惊奇的加工能力、加工质量和加工效率，产生显著的经济和社会效益。

随着中国市场和科技的发展，超快激光在生物医疗、航空航天、精密机械、能源环境、通信存储、消费电子等领域有着更为宽广的应用范围，而这一市场也将不断扩大。

超快激光的应用前景巨大，可用于智能手机触摸屏切割、薄膜刻蚀、太阳能电池晶圆划片、电路板微钻孔等，以及在微纳结构、生物科研、医疗器具等等，一些应用已经在生产中大显神通，新的应用不断涌现，将持续提升微纳与精密加工制造技术的新高度。

信息来源:激光制造网

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