飞秒激光新应用--微点加工（微结构）

核心加工原理

飞秒激光微点加工基于非线性光学效应与冷烧蚀机制，凭借飞秒级（10⁻¹⁵秒）超短脉冲的特性，实现微点结构的精准制备，全程无明显热影响，具体过程分为三步：

1、多光子吸收与电子激发

飞秒激光聚焦后能量密度可达 10¹² - 10¹⁵ W/cm²，即便材料不吸收该波长激光，也会通过多光子吸收将价带电子激发至导带，将材料电离化，形成高密度自由电子气，跳过传统热传导环节，避免材料整体升温。

2、电子 - 晶格非平衡与材料剥离

因脉冲时间极短，高能电子无法在脉冲持续时间内将能量传递给晶格，电子系统与晶格系统处于非平衡状态。当激光能量达到材料阈值时，原子 / 分子键直接断裂形成等离子体，等离子体以冲击波形式喷发，完成 “冷烧蚀”。

3、微点精准成型

通过计算机控制激光束的聚焦位置、脉冲触发时机和扫描路径，逐点烧蚀材料表面或内部，可制备单分散微点、周期性微点阵列、梯度微点等多种形态，微点尺寸可在纳米级（几十纳米）至微米级（几十微米）间精准调控。

工艺核心优势

相较于纳秒激光、离子束刻蚀等传统技术，飞秒激光微点加工具备以下适配高端制造的核心优势：

超高精度与低损伤：热影响区可忽略（通常小于 1 μm），易氧化或脆性材料加工后材料无氧化、无裂纹、无变形，例如：不锈钢、钛合金、石英玻璃、半导体等。

材料普适性强：可加工金属、非金属、复合材料甚至生物组织，无需复杂预处理（如镀膜、光刻胶涂覆）。

微结构可控性高：可精准调控微点的尺寸（微米、纳米级）、密度及形貌（球形凸点、圆锥形坑、圆柱形柱体等），满足光学衍射、表面疏水、生物相容性等多样需求。

三维加工能力：激光可聚焦于材料内部（如透明玻璃），制备三维微点阵列，突破传统表面加工限制（玻璃内雕，防伪雕刻）。

典型工业应用

飞秒激光微点加工的微结构因独特的光学、力学及生物特性，在多个高端领域广泛应用：

①　激光幻彩与光电领域：在金属表面制备 100 - 1000 nm 周期性微点阵列，利用光的干涉 / 衍射效应实现动态幻彩，用于高端装饰件、激光防伪标识。

②　精密传感器制造：在硅基、陶瓷材料表面加工微点阵列，作为压力传感器、位移传感器的敏感单元，提升响应灵敏度与稳定性。

③　生物医疗部件：在钛合金人工关节、牙科植入体表面加工微米级微点，增强生物相容性，促进人体组织与植入体结合。

④　微流体芯片：在玻璃或聚合物表面加工微坑、微柱阵列，作为微通道限流或混合结构，适配生物检测、化学分析场景。

⑤　航空航天精密部件：在高温合金叶片表面加工微点阵列，形成气膜冷却孔预处理结构，提升叶片耐高温性能。

微型凸透镜

采用飞秒激光加工在镜片表面加工出微型凸透镜，使微点分布在镜片周边区域。

中心区域保证清晰视力，周边微透镜让光线聚焦在视网膜前方，形成“近视性离焦”，抑制眼轴过度增长，从而最大程度防止近视（临床数据显示能延缓30%-60%）。

工艺参数（仅供参考）

下表为工业常用飞秒激光微点加工关键参数范围及影响规律

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来源：华科机械学院小博士