飛秒激光已經(jīng)被證實在加工不同材料時，具有高精度和高質(zhì)量等特點，其中玻璃是目前飛秒激光加工最多的一類材料，飛秒激光的超短脈沖特性，使其在玻璃等透明材料加工中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。與傳統(tǒng)熱加工方式不同，它通過非線性多光子吸收效應(yīng)實現(xiàn)材料去除，幾乎不產(chǎn)生熱擴散，避免了玻璃因熱應(yīng)力導(dǎo)致的破裂或變形，而如何實現(xiàn)高精度和高吞吐量兼顧一直是超快激光加工領(lǐng)域的核心命題。

圖1 EKSPLA 飛秒激光FemtoLux 30玻璃加工樣品圖。左圖為在薄的硼玻璃上鉆300um的陣列孔；右圖為納鈣玻璃激光制備微通道。

近期飛秒激光技術(shù)的發(fā)展主要集中在解決低吞吐量的問題，為了解決該問題，EKSPLA利用FemtoLux 30的Burst 模式以及BUM加工方式相結(jié)合，極大程度上提高了飛秒激光在玻璃加工微透鏡陣列上的吞吐量。

GHz+MHz Burst模式

在Burst 模式下，單個高能量脈沖被分成了多個低能量的脈沖，這樣就可以更有效的利用激光功率，而且這樣也可以降低能量的沉余，否則沉余部分的能量會降低加工的質(zhì)量。Burst 內(nèi)部的重復(fù)頻率可以從MHz到GHz進行調(diào)整，確保每一個脈沖都能有效去除材料，而且通過調(diào)整Burst內(nèi)部的脈沖數(shù)量，以及Burst的長度（可以到ns），可以有效的優(yōu)化材料的去除效率和精度。

圖2 Burst 模式示意圖

圖3 EKSPLA GHz Burst 飛秒激光器FemtoLux 系列

BUM加工方式

玻璃可以通過多種方式加工，最多的傳統(tǒng)加工方式是自上而下（Top-down milling,TDM），這種一層層去除的方式，非常適合加工精細結(jié)構(gòu)，但是在加工深寬比的結(jié)構(gòu)上有一定局限性，而且這種方式在加工過程中燒蝕的粉塵會快速積累，影響后面材料去除。而另外一種方式就是自下而上加工（bottom-up milling,BUM）,這種方式將激光聚焦到材料的下表面。BUM這種加工方式不僅可以快速的去除材料的燒蝕物，而且可以有效的利用激光器的Burst模式，通過延遲Burst 長度，材料可以加工更大的面積，顯著的提高去除量。

圖4 TDM 和BUM兩種加工模式示意圖

微透鏡陣列加工

通過結(jié)合BUM加工方式和MHz+GHz burst模式，加工的吞吐量顯著的從5.17 mm3/min提高到619 mm3/min，雖然這種方式的表面粗糙度（Sa=4.3 um）相比與單脈沖TDM(Sa=191 nm)加工的粗糙度有所降低，但是極大程度上提高了吞吐量。同時這種加工也很好的證明了FemtoLux 30的多功能性，使得可以根據(jù)不同工藝要求靈活切換，高精度加工的單脈沖模式和高吞吐的粗加工Burst模式。

圖5 不同加工模式下的能量密度與燒蝕率對比圖

表1 不同加工模式下的燒蝕效率與燒蝕率對比表

EKSPLA 利用FemtoLux 30這款激光器，制備了微透鏡陣列光學(xué)器件。微透鏡面積為25×25 mm2，內(nèi)部包含50個曲率半徑5mm的微透鏡陣列。制備過程包含多個步驟，首先從厚的熔融石英玻璃基材上加工出一個基座，利用的是BUM和Burst模式相結(jié)合的加工方式，這步加工時間僅僅只用了13 min，燒蝕率180 mm3/min。下一步利用Femtolux 30的靈活的Burst 模式，精細的調(diào)整加工參數(shù)，在基座上加工出微透鏡陣列，表面粗糙度為0.5um（Sa）。最后利用CO2激光器對微透鏡表面進行拋光，表面粗糙度降低到23nm。

圖6 微透鏡示意圖

圖7  利用FemtoLux 30飛秒激光器通過混合加工模式制備出的微透鏡陣列

該應(yīng)用證明了EKSPLA這款FemtoLux 30這款激光器的多功能性，展示了如何利用多種加工模式相結(jié)合的方式制備高精度、高吞吐量的自由曲面光學(xué)元器件。

轉(zhuǎn)自：Lum光格科技

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