超声波辅助的超短激光微加工技术及新型光纤传感器制备

基于超声波辅助的超短激光微加工有望大幅提高深宽比和加工效率及加工质量，解决多参数检测光纤生物传感器的制造难题。申请人提出超声波辅助的飞秒超短脉冲激光及157nm超短波长激光的复合微加工工艺，应用于光纤生物传感器和光纤磁场传感器探头的制备。研究要点包括：1）研究超声波辅助的飞秒激光与157nm激光复合微加工的基本理论，诸如光化学机制, 等离子体行为，热力学行为等；揭示激光与超声波振动的耦合机理,建立振动力学与热力学模型，进行数值模拟。2）研究复合微加工过程的控制规律，刻蚀残留物的形成机制，对加工质量和效率的影响规律，寻求工艺参数的最佳匹配。3）探讨复杂光纤三维微结构的加工质量控制规律及其综合制备技术。 4）研制一种代表性的光纤生物传感器和光纤磁场传感器探头样件，并作必要的性能检证。超声波辅助的复合微加工技术的成熟,将为新型光纤传感器甚至光通信器件的制备提供难得的工艺途径。

目前,超短激光打孔时,往往锥度过大,加工质量和效率低下,深宽比满足不了要求。为此，本项目提出了超声波辅助的飞秒激光复合微加工工艺。该项工艺可应用于光纤新型传感器探头的制备。本项目主要研究内容和成果包括：1）揭示明晰了超声波辅助激光复合微加工机理;2）设计制备了超声波辅助振动装置,振动频率为30KHz，功率500W，输出振幅可达6um以上;3）完成了超声波辅助激光复合微加工工艺控制规律的把握, 优化了工艺参数4）作为重要应用,完成了激光加工微结构的光纤磁场传感器设计制备和性能测试。利用飞秒激光脉冲在刻写有布拉格光栅的光纤包层上加工螺旋微结构，并采用磁控溅射方法在其上溅射磁致伸缩膜（TbDyFe），制备了单螺旋和双螺旋两种新型光纤磁场传感器探头。实验结果也证实了螺旋微结构显著提升了光纤探头对磁场的响应灵敏度，双螺纹磁场传感探头的灵敏度比单螺纹传感探头的灵敏度更高，相比无微结构光纤探头最大可提高近6倍。