飛秒激光開始應用到微納加工領域始于20世紀90 年代初[1]。正是由于飛秒激光具有持續時間短及高脈沖功率密度的特性，使得其與物質相互作用時具有許多獨特的優點：確定的燒蝕閾值，規則的加工邊緣，層層微加工以及可加工任何材料等[2~5]。最近研究結果表明：飛秒激光微細加工在微光學、微電子、微機械、微生物、微醫學等多個領域具有潛在的應用價值[2~10]。不同學科、不同實驗具有不同的具體要求，這就需要采取相應的加工手段來實現特定加工目的，因此飛秒激光深孔加工技術等加工工藝開始引起越來越多研究者的重視[5,9,10]。
激光整形技術是指在激光腔內或腔外采用光學元件改變光束形態實現光束整形。飛秒激光脈沖整形有別于傳統整形概念，主要是在保留原有高峰值功率特性基礎上，在光路中引入擴束器、濾波器以及衍射模板等光學器件，達到縮小聚焦尺寸、去除高斯光束周圍熒光成分、減少脈沖形變及多種形狀加工等目的。常用的是空間濾波和掩模控制技術[11，12]。空間濾波是實現對光束邊緣熒光的屏蔽效用，實現聚集點光學質量的改善，掩模控制是通過掩模形狀來實現對脈沖的調制，以達到確定的加工目的。
本文采用聚焦物鏡與接收材料同步運動的方法，可以很容易地將焦點前后脈沖的空間形態在材料表面以二維平面圖形式表示出來。在聚焦物鏡前加小孔掩模板，通過小孔直徑及小孔前后脈沖能量的變化，可直觀觀察到光束空間形態的改變。最后，實驗選取合適參數，成功刻劃出邊緣光滑的透射型金屬光柵。
1 實驗裝置及方法
實驗設備采用的是Clark 公司飛秒激光加工工作臺（UMW-2110i，Clark-MXR Inc.）。激光具體參數為：中心波長775 nm，脈寬148 Fs，重復頻率1 kHz，最大單脈沖能量1 mJ，在光路上加衰減片可以調整脈沖能量，聚焦前光斑直徑5mm；掩模小孔直徑可調范圍為0.5~10 mm；接收材料為噴濺法鍍在溶石英基片上的金膜（厚度約為300 nm）。飛秒激光經掩模小孔后由5×顯微物鏡（有效焦距為40 mm）聚焦金膜表面。采用物鏡與接收平臺同步運動的方法，將焦點前后脈沖的空間形態以二維平面圖形式在金膜表面顯示出來；加工結果采用透射式光學顯微鏡和SEM進行分析測試。實驗裝置如圖1 所示。
物鏡由平臺承載做軸向（Z 軸）移動，材料由X-Y 軸承載，同步運行Z 軸和X 軸就能夠將焦點附近軸向范圍內達到材料閾值的長度在金膜上記錄下來，焦點位置是從材料表面之上移到材料內部，與此相對應，圖像中是由右到左。結果可以和瑞利長度相比較進行分析。
2 實驗結果分析
通常的，如果知道激光中心波長0λ ，透鏡的焦距f 和入射光在透鏡前表面處的束腰半徑ω ，就可以得到瑞利長度R z ，瑞利長度的表達式為：
2zR = nπω0 /λ0 （1）
式中： 0 0 ω = λ f / πω ，為焦點處束腰半徑。由于實驗采用的是物鏡，從有效工作距離較難推出真正的束腰半徑，實驗中0ω 采用刀口法測量了焦點處束腰半徑值為11.5 μm[13]，所以5×顯微物鏡瑞利長度約為0.54 mm。
而焦點附近軸向范圍內光束半徑ω(z)的變化是與瑞利長度和焦點處束腰半徑有關的函數，如圖2 所示，其表達式為：
實驗通過改變圖1 中針孔直徑大小，觀察焦點附近光軸方向所能實現燒蝕區域的變化情況，分別采用保持針孔前和針孔后脈沖能量不變的兩種情形，在金膜表面記錄下焦點附近光束傳輸形態。圖3 為上述兩種情形下顯微圖像。其中，Z 軸和X 軸運行速度均為0.3 mm/s，單脈沖能量在小孔前后分別為91.7 μJ，Z 軸和X 軸行程均為600μm，圖中由上至下針孔直徑依次為∞、4 mm、3mm、2 mm。
從圖3（a）可以看出，不加針孔（開孔）時，燒蝕區域在焦點附近基本為對稱分布，且偏離焦點位置時，燒蝕線寬迅速增加，成紡錐型分布。隨著小孔加入，通光尺寸變小，燒蝕區域線性尺度逐漸降低，聚焦點位置與兩翼燒蝕線寬差異明顯減少，甚至有遠離透鏡跡象（見針孔直徑為2 mm 的情況）。改變脈沖能量而保證小孔后的能量一致，燒蝕現象沒有明顯差異（見圖3（b）），只是燒蝕線寬有所加大。上述現象通過式（1）和（2）可以很好的解釋：加入小孔后，由于孔徑的限制，使得照射到透鏡表面束腰半徑ω 減小，造成焦點處的束腰半徑0ω 有所增加，瑞利長度R z 變大，因而在式（2）中，焦點附近束腰半徑ω（z）隨z 的變化比不加小孔時減弱，宏觀上就得到了圖3 中比較平緩的加工結果。
圖 4 和圖5 分別給出了開孔以及小孔直徑分別為4 mm、3 mm、2 mm 時不同脈沖能量下（小孔前測得）焦點附近燒蝕形態的變化，Z、X 軸行程仍為600 μm。隨著小孔直徑的減小，透過小孔后的脈沖能量將會低于材料燒蝕閾值。因此，在圖5（a）和圖5（b）中只有4 條燒蝕痕跡，甚至圖5（c）中只存在3 條燒蝕線。
從圖4 和圖5 中可以看出，單脈沖能量較低時，不管是開孔還是一定針孔作用下焦點附近脈沖形狀不存在明顯紡錐型分布，但加針孔后焦點附近光束半徑變化還是舒緩了很多，較利于進一步做深孔加工與切割方面的研究；隨著針孔直徑的降低，能夠實現燒蝕的區域在明顯減小（小于瑞利長度），這主要是針孔限制了大部分能量到達材料表面；小孔直徑為4 mm 時，脈沖傳輸形狀受激光能量的影響相對較小；與圖3 類似，實驗另一個現象就是隨著針孔孔徑的減小，聚焦區域的最小束腰半徑處向靠近透鏡方向移動，這一點可以用聚焦束腰半徑與聚焦前束腰與透鏡前表面距離的變化關系來很好解釋[14]。
利用上述實驗結果，實驗采用開孔與針孔直徑為4 mm（單脈沖能量為90 μJ）兩種情況分別對金膜和不銹鋼板進行打孔加工，得到的圖像如圖6~10 所示。
圖6、8 與圖7、9 比較可知：采用加小孔后使得焦點附近激光束腰半徑或激光痕跡變化舒緩特性加工出的結果燒蝕邊界更加清晰、無裂痕。圖10 給出的是在銅箔表面刻劃的邊緣相對光滑兩條光柵條紋。這一技術利于飛秒激光進行高縱深比深孔微器件加工應用，實驗的進一步應用研究工作正在進行中。
3 結束語
本文從飛秒激光加工工藝研究出發，分析了針孔掩模加工技術對聚焦點處飛秒激光空間傳輸特性的影響。發現聚焦物鏡前加小孔時，激光刻痕或焦點附近束腰變化趨緩；脈沖能量大小只影響刻痕線寬大小。本研究得到了飛秒激光深孔加工的優化參數，利用該方法可實現在銅箔表面進行透射型金屬光柵器件的刻劃。
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