飞秒激光-科研需求该仪器设备的必要性和紧迫性

科研需求该仪器设备的必要性和紧迫性

激光加工技术作为重要的先进制造技术之一已广泛应用于众多的工业制造领域. 利用激光直写技术进行材料加工时, 其所能达到的加工分辨率一直受到经典光学理论衍射极限的限制, 难于进行纳米尺度的加工. 飞秒脉冲激光的出现不仅为研究光与物质相互作用的超快过程提供了手段, 也为发展先进的微纳米加工技术提供了不可多得的光源. 近年来, 作为最新的激光加工技术之一的飞秒脉冲激光多光子微纳加工技术已成为国际上研究的热点.该技术利用多光子效应和激光与物质作用的阈值效应, 成功地实现了纳米尺度的激光直写加工分辨率, 可望在功能性微纳器件制备等纳米技术领域发挥重要作用, 具有广阔的应用前景.

50 多年来光刻技术一直占据微纳米加工技术的统治地位. 传统的光刻技术通常为单光子平面曝光,要想获得三维结构需要将三维结构分割成许多二维结构, 将光束按照二维图形进行扫描, 光束焦点经过的地方产生作用, 可形成相应的二维结构, 用相同方法制备第二层结构, 最终得到需要制作的三维结构.由于普通光刻技术加工分辨率受到经典光学衍射极限的限制, 为了得到更高的分辨率, 光刻技术使用的光源波长从红外发展到深紫外, 加工方法从普通的激光刻蚀, 发展到 X 射线刻蚀、电子束刻蚀、离子束刻蚀、纳米图形转印等. 这些加工技术通过平面工艺、 探针工艺或模型工艺可以制备二维平面结构或准三维结构. 近年来, 多光束干涉被用来制备较大面积的周期性的二维及三维结构. 理论计算表明,只要适当选择光束数量、入射角方向及相位等条件,所有的 14 种布拉伐格子的周期性晶格结构都可以由多光束干涉实现, 但是对于进行纳米尺度任意复杂三维结构的加工, 单光子平面曝光及多光束干涉都无能为力. 飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术是集超快激光技术、显微技术、超高精度定位技术、三维图形 CAD 制作技术及光化学材料技术于一体的新型超微细加工技术, 具有简单、低成本、高分辨率、真三维等特点^[1] .
 　　近年来, 作为最新的激光加工技术之一的飞秒脉冲激光多光子微纳加工技术已成为国际上研究的热点.该技术利用多光子效应和激光与物质作用的阈值效应, 成功地实现了纳米尺度的激光直写加工分辨率, 可望在功能性微纳器件制备等纳米技术领域发挥重要作用, 具有广阔的应用前景. 在 2001 年日本科学家利用飞秒脉冲激光双光子聚合技术首次突破衍射极限获得 120 nm的加工分辨率后, 最近我国科学家实现了 15 nm 线宽的纳米尺度加工分辨率. 在利用多光束并行加工技术进行快速、大批量微纳结构加工的同时, 最新发展的多光束组合技术实现了多部件组合加工、一次成型, 解决了微尺度零部件组装难题, 为微纳尺度器件及微机电系统的开发提供了具有实用化前景的加工方法与途径. 利用飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术的高精度、良好的空间分辨率和真三维加工能力的特点, 各国科学家制备出了各种微尺度光子学器件及微机电系统, 充分展示了该技术的应用前景. 随着对飞秒脉冲激光与物质相互作用机理、加工技术及相关材料技术的深入研究, 飞秒脉冲微纳加工技术必将获得快速发展, 并在先进纳米制造领域获得新的突破^[1] 。

双光子光聚合可以用来实现任意复杂的三维结构制备. 1997 年, 日本大阪大学 Kawata 教授研究组首次将双光子聚合用到三维结构的制备上, 实现了三维螺旋结构. 2001 年, 该小组利用高倍率大数值孔径物镜并配备先进的纳米定位仪器, 制造了一个红细胞大小(10 µm 长, 7 µm 高)的公牛像——纳米牛, 成为激光三维微纳加工的标志性符号. 同时, 制备出世界上最小的弹簧振子系统, 使飞秒激光双光子的微细加工真正步入了亚微米尺度功能器件的制造阶段. 该研究在原理上首次采用飞秒激光直写技术突破了经典光学理论中的衍射极限的限制, 利用波长为 780 nm 的飞秒激光获得了 120 nm 的加工分辨率, 使利用飞秒脉冲激光的微加工技术进入了纳米尺度的新境界^[1] .

虽然使用飞秒脉冲激光可以使双光子吸收几率增大, 但是, 在物质与强激光的相互作用过程中还存在如等离子、自由电子、热电子雪崩等其他的物理过程. 这些过程的发生将可能导致材料损伤, 而很多材料的抗损伤阈值远小于发生双光子吸收的光强度,因此, 改善材料本身的性质, 降低其发生双光子吸收的阈值, 限制其他可能对材料本身产生损伤的物理过程的发生也是对双光子吸收过程进行应用时所必须解决的问题.典型的双光子光聚合材料主要包括树脂聚合物单体和光敏引发剂, 其中聚合物单体是光聚合材料的主体, 双光子光聚合材料根据其聚合机理的不同,常用的有自由基聚合材料和阳离子聚合材料^[1] .
 关于飞秒激光微纳加工的极限分辨率，目前中科院理化技术研究所段宣明有机纳米光子学研究组的成果走在世界的前沿，他们已经做到的15纳米，其实15nm只是加工物体的最小形貌特征尺度大小，其实决定加工分辨率的是飞秒激光聚合光刻胶的聚合体积元，我们已经玻璃基板上已经获得50nm的加工分辨率，但是双光子加工分辨力还没有达到极限，理论上发生双光子聚合的体积元可以无限小，达到单分子尺度。

Model型号：FT-FS

Potential application 应用

Micro-Nano scale fabrication, structuring ,and 3D print

BIOS, such as imaging , fluorescence ,optical tweezer, nano-surgery

Accuracy measurement, micron absolute distance measurement

Terahertz time-domain spectroscopy

……

Industry适用行业

       R&D, Medical technology, Defensed security, Aviation, Spectroscopy……

       科研，医疗，国防安全，航空，光谱学……      

材料加工领域广

精度高

工业界皮秒应用广泛

Standardized system concept

 Three basic configurations

 Option packages with the most common

options - ready for use

Advantages

 Up to two free configurable working areas

 Up to two laser sources installed

 Various optical set-ups

 Maximal degree of freedom regarding the

positioning of the substrates

 Open system concept for the integration of

different laser sources

 Flexible, upgradeable control concept for

future integration of further components

Wide range of machining techniques

for processing of various materials:

 Drilling

 Cutting

 Ablation

 Engraving

 2D, 3D Structuring

 Welding

Designed for process development

and laboratory use, e.g. in

 Photovoltaic industry

 Medical technology

 Organic photovoltaics

 OLED processing

 Nozzle drilling

 Semiconductor / MEMS

 Security applications

 Automotive

Versatile:

 Broad range of applications

Flexible:

 Two independent and free configurable working areas

 Two laser sources simultaneous

 Open system concept for the integration of different laser

 sources and optical set-ups

 Quick changing of work piece clamping units

 Maximal degree of freedom regarding the positioning

of the substrates

 Upgradeable control concept for future integration of further

components

User-friendly:

 Laser sources are controlled by software

 Integrated power measurement system (at work piece level,

mounted on X-Y-system)

用途：切割、表面处理、微孔加工等

美国Uptek 公司专业从事研发、生产、定制高稳定性fs 激光器和微加工系统

等产品，其Sabray 飞秒微加工系统具有非常高的长期稳定性，灵活扩展性强，适

用于科研以及工业应用，能够365*24 小时不间断运转，每年停机换冷却水时间＜5

天。软件操作简单，包括激光器快门控制，激光功率控制，实时图像监测，位移台

与激光开关同步控制，样品切割控制等。

花岗石龙门框架结构，配合激光系统，该激光加工模块可在激光刻蚀、表面处

理和3D 雕刻、触摸屏和ITO 切割以及金属、合金、半导体、碳化硅（SiC）、石墨

烯、陶瓷等多种材料的钻孔和切割等超精细加工领域成为强有力的加工工具，是工

业和科研用户的理想选择。

The Spirit 1030-100 and 1030-70 lasers set new standards for femtosecond lasers

in high-precision industrial manufacturing and pumping of non-linear OPA’s delivering

unprecedented performance for 3-photon microscopy. These lasers deliver high

average power, high pulse energy, and high repetition rates for increased throughput.

Customers benefit from the shortest industrially available pulse duration and superior

beam quality that in turn enables machining complex and challenging parts with

highest precision and quality with literally no heat affected zone (HAZ)

at the highest throughput. The Spirit 1030-100 and 1030-70 are designed for industrial

use and offer reliable and robust 24/7 operation with lowest cost of ownership.

Highest-Precision Machining of the Finest Features with Highest Throughput

Our new additions to the industry-proven Spirit platform offers impressive versatility

and performance, enabling a variety of applications. High average power (>100 W)

and high pulse energy (>100 μJ) combined with high repetition rates push

femtosecond micromachining applications to highest levels of throughput at lowest

cost-of-ownership. The user-configurable burst mode enables processing with

increased ablation efficiency, and thus increased throughput and quality for certain

materials. Pulse energy and repetition rate adjustability (single shot – 10 MHz) make

the Spirit 1030-100 the ideal source for ablation and cutting. The integrated pulse

picker offers full control of the laser output with single pulse selection and fast

power control via an analog input signal.

The integrated second harmonic generation (SHG) offers an output power of >50 W

and a typical pulse width of <300 fs at a wavelength of 515 nm. At this shorter

wavelength, machining of the finest features is possible, depending on the material,

at equal or even higher speeds compared to those obtained with other technologies.

• Polymer cutting

• Metal drilling and cutting

• Precision machining of hard

and brittle materials

• Polycrystalline diamond (PCD) cutting

and ablation

• Sapphire cutting and drilling

• 3-photon microscopy

• Optical parametric amplifier pumping

• Time resolved femtosecond spectroscopy

Monaco 1035 is an industrial femtosecond laser with a MOPA architecture.

Designed for high-uptime in 24/7 applications, the laser family

provides >80 μJ/pulse at 1035 nm. Standard repetition rates up to

50 MHz at 60 W enable current and future throughput requirements

in materials processing and microelectronics applications. Homogeneous

materials such as glass and metals, as well as complex, layered

structures for the FPD and mobile markets are readily addressed with

Monaco’s sub-350 fs pulsewidth. Additionally, on-the-fly tuning enables

variable pulsewidths to >10 ps.

APPLICATIONS

• Glass Cutting and Welding

• Thin Film/Foil Cutting

• IC Package Cutting

• Medical Device Manufacturing

• OPA Pumping for Optogenetics

高分辨蛋白分析质谱仪及三重四级杆液质联用系统是蛋白质组学、代谢组学、天然药物分析、分子结构鉴定等科研领域中必不可少的重要工具，而对于重要的分子如蛋白质、多肽的结构定性及定量的分析，以阐明结构和生物功能之间的关系，研究生物体合成或分解物质的代谢过程，阐明生长、运动、发育、遗传等各种生命现象等一系列研究中，质谱均以其高超的灵敏度和特征谱图的本领而成为重要的技术手段。

高分辨蛋白分析质谱仪及三重四级杆液质联用系统的采购，主要用于支撑我所一三五规划中重点培育项目--面向基因和蛋白的纳米检测技术，而目前，我所并无同类型的仪器，相关质谱检测样品只能送到上海、北京等科研机构及周边高校进行外包测试，不仅极大的影响了科研效率、支付了大量的科研费用、并严重制约了相关学科的研究发展。而我所重点学科正在执行多个国家级项目，包括973项目、863项目、中科院科技战略先导专项等，研究成果受到国内外的高度评价。因此，我们急需购置高分辨蛋白分析质谱仪，使我所相关的仪器设备更加先进、配套和实用，极大提升相关方面研究的能力与水平，并促进各学科之间的交叉和理论实践研究的深入。