激光被譽為(wei)20世紀最(zui)偉(wei)大(da)的(de)發明之一(yi)，隨著三(san)次(ci)工業(ye)(ye)革(ge)命的(de)結束，激(ji)光將是引領第四次(ci)工業(ye)(ye)革(ge)命的(de)關鍵。激(ji)光的(de)出現(xian)大(da)大(da)地推動了產業(ye)(ye)的(de)發展。激(ji)光以(yi)其功率大(da)、易(yi)聚焦、高亮度、方向(xiang)性好(hao)等(deng)優點，在機械(xie)加(jia)(jia)工中已(yi)經成為(wei)最(zui)先進(jin)、應用(yong)最(zui)廣泛的(de)一(yi)種手(shou)段。激(ji)光加(jia)(jia)工精(jing)度高、速度快、成本低，可以(yi)由計算(suan)機編程(cheng)實現(xian)自動控制，加(jia)(jia)工形(xing)狀(zhuang)復雜的(de)結構，并且由于是非接觸加(jia)(jia)工，不(bu)會損壞材料，安全可靠(kao)。
激光(guang)加(jia)工的(de)分(fen)類(lei)和各(ge)自特點
根據(ju)激(ji)光(guang)與物(wu)質相互作用(yong)的(de)機(ji)理，激(ji)光(guang)加(jia)工可分為兩大類(lei)：激(ji)光(guang)熱(re)(re)加(jia)工和非(fei)熱(re)(re)加(jia)工。熱(re)(re)加(jia)工和非(fei)熱(re)(re)加(jia)工通(tong)(tong)常使用(yong)的(de)激(ji)光(guang)類(lei)型是不同的(de)，熱(re)(re)加(jia)工通(tong)(tong)常使用(yong)的(de)是長脈沖激(ji)光(guang)或連(lian)續激(ji)光(guang)，非(fei)熱(re)(re)加(jia)工通(tong)(tong)常使用(yong)的(de)是皮秒、飛(fei)秒等超短(duan)脈沖激(ji)光(guang)。
激(ji)光(guang)熱(re)(re)加(jia)(jia)工(gong)利用激(ji)光(guang)照射材(cai)(cai)料過程(cheng)中(zhong)產生的(de)(de)(de)熱(re)(re)效(xiao)應，被(bei)照射材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)分子(zi)(zi)體系(xi)需要不斷地從照射激(ji)光(guang)獲取能(neng)(neng)量轉化為(wei)自身的(de)(de)(de)內(nei)能(neng)(neng)，被(bei)照射區域的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)急劇升高，達(da)到材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)熔點(dian)和沸點(dian)，發生融化、去除(chu)，達(da)到加(jia)(jia)工(gong)目的(de)(de)(de)。由于激(ji)光(guang)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量轉化為(wei)分子(zi)(zi)體系(xi)的(de)(de)(de)內(nei)能(neng)(neng)需要的(de)(de)(de)時間較長，因此熱(re)(re)加(jia)(jia)工(gong)常用長脈沖激(ji)光(guang)。這(zhe)一加(jia)(jia)工(gong)方法簡單(dan)直接，已廣泛用于工(gong)業制(zhi)(zhi)造，如(ru)激(ji)光(guang)切割、激(ji)光(guang)增材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)造等(deng)。但由于加(jia)(jia)工(gong)過程(cheng)中(zhong)存在不可避免的(de)(de)(de)熱(re)(re)擴散，限制(zhi)(zhi)了(le)激(ji)光(guang)熱(re)(re)加(jia)(jia)工(gong)的(de)(de)(de)精度(du)和粗(cu)糙度(du)。
非(fei)(fei)熱(re)加(jia)(jia)工(gong)(gong)則(ze)是利(li)用(yong)(yong)由材料電(dian)(dian)子(zi)體(ti)(ti)系(xi)擾動引起的(de)(de)非(fei)(fei)線性(xing)(xing)效應（如非(fei)(fei)線性(xing)(xing)電(dian)(dian)離、表面散射(she)等），通過(guo)電(dian)(dian)子(zi)吸收光(guang)子(zi)發(fa)生(sheng)躍(yue)遷和電(dian)(dian)離，誘導材料的(de)(de)物(wu)理、化學(xue)性(xing)(xing)質發(fa)生(sheng)改變，從而導致一些新穎(ying)效應的(de)(de)產生(sheng)（如雙(shuang)光(guang)子(zi)聚合、激光(guang)自組裝(zhuang)等），利(li)用(yong)(yong)這些新穎(ying)的(de)(de)效應達(da)到提高加(jia)(jia)工(gong)(gong)精(jing)(jing)度、優化加(jia)(jia)工(gong)(gong)方(fang)法的(de)(de)目(mu)的(de)(de)。由于(yu)電(dian)(dian)子(zi)體(ti)(ti)系(xi)和激光(guang)的(de)(de)能量交換(huan)可以在瞬間完成(cheng)，因(yin)此非(fei)(fei)熱(re)加(jia)(jia)工(gong)(gong)常用(yong)(yong)超短脈沖(chong)激光(guang)。這種加(jia)(jia)工(gong)(gong)方(fang)法精(jing)(jing)度較高，加(jia)(jia)工(gong)(gong)手段(duan)多樣，是目(mu)前激光(guang)加(jia)(jia)工(gong)(gong)領域的(de)(de)研(yan)究(jiu)熱(re)點之一。
傳統飛秒(miao)激光加工的優勢和不(bu)足
超高(gao)的(de)(de)峰值功(gong)率和超短(duan)的(de)(de)脈(mo)沖持續時(shi)間(jian)是(shi)飛秒激(ji)(ji)(ji)光的(de)(de)兩個主(zhu)要(yao)優(you)勢。超高(gao)的(de)(de)峰值功(gong)率使其足以誘導材料產生多(duo)種多(duo)樣的(de)(de)非線性效應(ying)，豐(feng)富了激(ji)(ji)(ji)光加(jia)工(gong)的(de)(de)方法。而超快的(de)(de)時(shi)間(jian)特性也使得飛秒激(ji)(ji)(ji)光與材料相互作用的(de)(de)過程(cheng)非常短(duan)暫，激(ji)(ji)(ji)光輻(fu)(fu)照(zhao)區域吸收的(de)(de)光能量甚(shen)至來(lai)不及傳遞到其他區域，確保(bao)激(ji)(ji)(ji)光能量可以精(jing)準地(di)沉積在輻(fu)(fu)照(zhao)范圍(wei)內，實現超精(jing)細加(jia)工(gong)。
目(mu)前(qian)，飛秒激光(guang)(guang)已經廣泛用于(yu)微納加工(gong)領域(yu)，主要(yao)有(you)激光(guang)(guang)直寫和激光(guang)(guang)掩(yan)膜兩種(zhong)方法(fa)。然(ran)而，由于(yu)加工(gong)系統存在(zai)衍射極限(xian)，使(shi)得(de)激光(guang)(guang)輻照區域(yu)不(bu)可能無限(xian)制的(de)縮小，限(xian)制了加工(gong)精度的(de)進一步提高。同(tong)時由于(yu)不(bu)同(tong)材料(liao)(liao)的(de)非線性(xing)特(te)征不(bu)同(tong)，使(shi)得(de)飛秒激光(guang)(guang)加工(gong)對材料(liao)(liao)有(you)著強烈的(de)依(yi)賴性(xing)，同(tong)一加工(gong)方法(fa)對于(yu)不(bu)同(tong)材料(liao)(liao)往往表現出不(bu)同(tong)的(de)加工(gong)效果。
紫(zi)外飛秒激光加工的(de)優勢
隨著現(xian)代工(gong)業的發展，對(dui)加工(gong)精度(du)的要(yao)求(qiu)不斷提(ti)高，而(er)影響激光(guang)加工(gong)精度(du)的主要(yao)因素之一就(jiu)(jiu)是加工(gong)系統的衍(yan)(yan)(yan)射(she)極(ji)(ji)限(xian)(xian)。衍(yan)(yan)(yan)射(she)極(ji)(ji)限(xian)(xian)是描述一個光(guang)學(xue)系統成像或加工(gong)精度(du)的物理參(can)數，衍(yan)(yan)(yan)射(she)極(ji)(ji)限(xian)(xian)越小(xiao)則(ze)加工(gong)精度(du)越高。通(tong)常(chang)，衍(yan)(yan)(yan)射(she)極(ji)(ji)限(xian)(xian)是與入射(she)光(guang)的波長成正比的，因此減小(xiao)激光(guang)波長便成為(wei)提(ti)高衍(yan)(yan)(yan)射(she)極(ji)(ji)限(xian)(xian)最(zui)直接、有效的手段，比如當前工(gong)業中大規模使用的紫外光(guang)刻技(ji)術就(jiu)(jiu)是通(tong)過減小(xiao)激光(guang)波長來提(ti)高加工(gong)精度(du)的。
紫外激(ji)光指的是(shi)波(bo)長小于380nm的激光(guang)，相比于目前飛(fei)秒激光(guang)常(chang)用的波長（主要在可見光(guang)波段(duan)，380nm－760nm），紫(zi)(zi)外飛秒(miao)激光的(de)(de)(de)(de)加(jia)工精度(du)(du)更高(gao)。同時，由于紫(zi)(zi)外飛秒(miao)激光的(de)(de)(de)(de)波(bo)(bo)長短(duan)，單光子的(de)(de)(de)(de)能量(liang)很大，光子可(ke)以直接切斷分子或原子的(de)(de)(de)(de)結(jie)合(he)鍵(jian)，實質屬于光化學反應(ying)，基本沒有(you)融化現象，從而限制(zhi)了熱效應(ying)的(de)(de)(de)(de)影響。另一方面，紫(zi)(zi)外波(bo)(bo)段是許多聚(ju)合(he)物(wu)的(de)(de)(de)(de)敏感波(bo)(bo)段，如光刻膠(jiao)等。這(zhe)些聚(ju)合(he)物(wu)在紫(zi)(zi)外飛秒(miao)激光的(de)(de)(de)(de)照射(she)下會發生雙光子聚(ju)合(he)效應(ying)，使流動的(de)(de)(de)(de)膠(jiao)體(ti)聚(ju)合(he)成為機械強(qiang)度(du)(du)較高(gao)的(de)(de)(de)(de)固體(ti)，加(jia)工過后再將光刻膠(jiao)洗去，便可(ke)以得到所要(yao)的(de)(de)(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)。利用(yong)這(zhe)一原理可(ke)以進行(xing)超精細的(de)(de)(de)(de)三維結(jie)構(gou)(gou)加(jia)工。
矢量、渦旋光場飛秒加工(gong)的(de)特點和優(you)勢
傳統的飛秒激光加工主要關注的是激光的能量特征，利用飛秒激光光場的超高能量誘導材料的非線性效應，以達到加工的目的。在光與物質相互作用的過程中，不僅存在能量的吸收，更存在動量的交換，這意味著新型的激光模式在飛秒加工領域更能發揮其優勢。
矢量(liang)、渦(wo)(wo)(wo)旋(xuan)(xuan)光(guang)(guang)(guang)場(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)是兩種最典型的(de)(de)(de)新型激光(guang)(guang)(guang)模式，其偏振(zhen)(zhen)、相(xiang)(xiang)位的(de)(de)(de)空間(jian)拓(tuo)撲特(te)性(xing)(xing)使得光(guang)(guang)(guang)場(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)具有一(yi)些特(te)殊(shu)的(de)(de)(de)物理性(xing)(xing)質。比如(ru)，矢量(liang)光(guang)(guang)(guang)場(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)可以會聚(ju)為超衍射極限的(de)(de)(de)焦斑(ban)，尺寸更小，因此加(jia)工精(jing)度更高。另(ling)一(yi)方面，光(guang)(guang)(guang)場(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)自身攜帶的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)子角(jiao)(jiao)動量(liang)能與物質進行動量(liang)交換。例(li)(li)如(ru)，具有螺(luo)旋(xuan)(xuan)狀相(xiang)(xiang)位結(jie)構(gou)(gou)的(de)(de)(de)渦(wo)(wo)(wo)旋(xuan)(xuan)光(guang)(guang)(guang)場(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)則攜帶光(guang)(guang)(guang)子軌道角(jiao)(jiao)動量(liang)，驅動微粒(li)(li)繞(rao)固定軸轉動；左旋(xuan)(xuan)或右旋(xuan)(xuan)圓(yuan)偏振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)(guang)攜帶光(guang)(guang)(guang)子自旋(xuan)(xuan)角(jiao)(jiao)動量(liang)，可以誘導(dao)微粒(li)(li)自轉；偏振(zhen)(zhen)態隨空間(jian)位置變化的(de)(de)(de)矢量(liang)光(guang)(guang)(guang)場(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)則可以表現(xian)出角(jiao)(jiao)動量(liang)之間(jian)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互作用(yong)。同樣(yang)，矢量(liang)、渦(wo)(wo)(wo)旋(xuan)(xuan)光(guang)(guang)(guang)場(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)動量(liang)特(te)性(xing)(xing)也可以用(yong)于飛(fei)秒激光(guang)(guang)(guang)加(jia)工領域，例(li)(li)如(ru)使用(yong)渦(wo)(wo)(wo)旋(xuan)(xuan)光(guang)(guang)(guang)場(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)誘導(dao)手性(xing)(xing)結(jie)構(gou)(gou)、利用(yong)矢量(liang)光(guang)(guang)(guang)場(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)誘導(dao)復雜的(de)(de)(de)花紋圖案等。
相(xiang)較于(yu)傳(chuan)統的(de)飛(fei)(fei)秒(miao)激光(guang)(guang)加工(gong)(gong)，時空(kong)特性可(ke)(ke)控的(de)高功率紫外激光(guang)(guang)系統產生的(de)矢量、渦旋光(guang)(guang)場飛(fei)(fei)秒(miao)激光(guang)(guang)加工(gong)(gong)使得(de)加工(gong)(gong)結構(gou)多樣化(hua)、復雜(za)化(hua)。通過設(she)計光(guang)(guang)場的(de)相(xiang)位、偏振態(tai)分布，可(ke)(ke)以(yi)得(de)到各式(shi)各樣表面圖(tu)案甚(shen)至復雜(za)的(de)三維(wei)拓撲(pu)結構(gou)。利用飛(fei)(fei)秒(miao)激光(guang)(guang)脈沖(chong)整形技(ji)(ji)術(shu)結合空(kong)間光(guang)(guang)調(diao)制(zhi)技(ji)(ji)術(shu)、時空(kong)聚焦技(ji)(ji)術(shu)等對超快激光(guang)(guang)脈沖(chong)時域(yu)以(yi)及頻域(yu)進行調(diao)制(zhi)，實現在不同材料內部的(de)三維(wei)微納加工(gong)(gong)和實際應用，這些技(ji)(ji)術(shu)有(you)望在新型集成(cheng)光(guang)(guang)學和微納光(guang)(guang)學中發揮重(zhong)要的(de)作用。
紫外、矢量、渦(wo)旋飛秒光場的優勢和潛在(zai)應用(yong)
隨著產業的(de)不斷發展，傳(chuan)(chuan)統的(de)飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)加(jia)工(gong)技術(shu)難(nan)以(yi)滿足(zu)日益增長的(de)工(gong)業需求，必(bi)須對(dui)其進(jin)行發展和優(you)化。紫外(wai)飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)加(jia)工(gong)技術(shu)是提(ti)高加(jia)工(gong)精度(du)的(de)有效途徑，在(zai)工(gong)業制造方面有著巨(ju)大的(de)應用價值。矢(shi)量、渦旋光(guang)(guang)場飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)加(jia)工(gong)技術(shu)改變了(le)傳(chuan)(chuan)統的(de)單一(yi)的(de)加(jia)工(gong)模式，使得(de)激(ji)光(guang)(guang)加(jia)工(gong)更(geng)加(jia)靈活多樣(yang)。此外(wai)，紫外(wai)矢(shi)量、渦旋飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)加(jia)工(gong)技術(shu)也是對(dui)光(guang)(guang)與物質(zhi)相互作用理論的(de)實(shi)踐和驗證(zheng)，有助于揭示更(geng)深層(ceng)的(de)物理機制，有著積(ji)極的(de)科(ke)研意義。
