书籍详情
激光精确微加工（英文影印版）
作者：（日）杉冈幸次（K. Sugioka），（加拿大）梅乌涅尔（M.Meunier），（美）皮凯（A.Pipue）著
出版社：北京大学出版社
出版时间：2014-12-01
ISBN：9787301248287
定价：¥91.00
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内容简介
小型化和高精度快速成为对很多工艺流程和产品的要求。因此，利用激光微加工技术来实现这一要求得到了广泛关注。《激光精确微加工（英文影印版）》内容有16章，覆盖了激光微处理技术的各个方面，从基本概念到在无机或生物材料上的工程应用。本书综述了在激光处理领域的研究和技术发展水平。读者对象为本领域的研究者和研究生。
作者简介
杉冈幸次（K.Sugioka），日本理化学研究所（RIKEN）研究员。
目录
1 Process Control in Laser Material Processing
for the Micro and Nanometer Scale Domains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Henry Helvajian
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Laser Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Laser Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Laser Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.3 Laser Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.4 Laser Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.5 Laser Pulse Temporal Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.6 Pattern Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3 Possible Steps Forward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2 Theory and Simulation of Laser Ablation - from Basic
Mechanisms to Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Laurent J. Lewis and Danny Perez
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2 Basic Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.1 Light-Matter Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.2 Material Removal from the Target:
The Basics of Ablation.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3 Ablation in the Thermal Regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.1 Thermodynamics .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.2 ConventionalWisdom: Early Theories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.3 A New Understanding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.4 Computer Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.5 The Femtosecond Regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.6 Picosecond Pulses and Beyond .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.7 Molecular Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4 Materials Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4.1 Nanoparticle Production in Solvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4.2 Damages and Heat Affected Zones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5 Conclusions and Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3 Laser Devices and Optical Systems for Laser Precision
Microfabrication .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
KunihikoWashio
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2 Laser Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.1 Various Laser Devices from Deep UV
andMid-IR Spectral Region .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.2 Diode-Pumped High-Brightness Continuous
Wave Solid-State Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.3 Q-Switching and Cavity Dumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.4 Picosecond and Femtosecond, Ultrafast
Pulsed Laser Oscillators and Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3 Optical Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.1 Optical Components for Modification
and Control of Laser Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.2 Optical Systems for Beam Shape Transformation .. . . . . . . . 78
3.3.3 Galvanometer-Based Optical Scanners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.4 Spatial Light Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.5 Nonlinear-Optical Systems for Harmonic Generation.. . . . 83
3.3.6 Optical Systems for Beam Characterization
and ProcessMonitoring .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4 Fundamentals of Laser-Material Interaction
and Application to Multiscale Surface Modification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Matthew S. Brown and Craig B. Arnold
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2 Fundamentals of Laser Surface Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.1 Light Propagation in Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.2 Energy Absorption Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.3 The Heat Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.4 Material Response. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3 Laser Surface Processing Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
4.4 Case Study I: Surface Texturing for Enhanced
Optical Properties .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104
4.5 Case Study II: Surface Texturing for Enhanced
Biological Interactions.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
4.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
5 Temporal Pulse Tailoring in Ultrafast Laser
Manufacturing Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
Razvan Stoian, Matthias Wollenhaupt, Thomas Baumert,
and Ingolf V. Hertel
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
5.2 Fundamental and Technical Aspects of Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . .123
5.2.1 Basics of Ultrashort Laser Pulses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
5.2.2 Frequency Domain Manipulation
(Mathematical Formalism). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
5.2.3 Analytical Phase Functions Relevant
to Material Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127
5.2.4 Pulse Shaping in the Spatial Domain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
5.2.5 Experimental Implementations for Temporal
Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
5.2.6 Optimization Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132
5.3 Material Interaction with Temporally Shaped Pulses . . . . . . . . . . . . . . .133
5.3.1 Control of Laser-Induced Primary Excitation Events . . . . .133
5.3.2 Engineered Thermodynamic Phase-Space Trajectories . . .135
5.3.3 Refractive Index Engineering by Temporally
Tailored Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
5.4 Conclusion and Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
6 Laser Nanosurgery,Manipulation, and Transportation
of Cells and Tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
Wataru Watanabe
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
6.2 Laser Direct Surgery .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146
6.2.1 Nanosurgery with a Focused Laser Beam
in the Ultraviolet and Visible Region. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146
6.2.2 Femtosecond Laser Surgery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147
6.3 Nanoparticles and Chromophore-Assisted
Manipulation and Processing.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
6.3.1 Chromophore-Assisted Laser Inactivation .. . . . . . . . . . . . . . . .153
6.3.2 Plasmonic Nanosurgery .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154
6.4 Laser Manipulation and Transport of Cells and Tissues . . . . . . . . . . . .154
6.4.1 Optical Tweezers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154
6.4.2 Laser Transport of Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
6.5 Application of Laser-Induced ShockWaves
andMechanicalWaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
6.5.1 Targeted Gene Transfection by
Laser-InducedMechanicalWaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
6.5.2 Femtosecond Laser-Induced ShockWave in Liquid . . . . . . .156
6.6 Laser-Induced Stimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157
6.7 Fabrication of Microfluidic Channels and Scaffolds . . . . . . . . . . . . . . . .158
6.8 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
7 Laser Synthesis of Nanomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
Sébastien Besner and Michel Meunier
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
7.2 General Principles of Laser Based Synthesis of Nanomaterials . . . .164
7.2.1 Nanosecond Pulsed Laser Ablation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165
7.2.2 Ultrafast Laser Ablation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
7.3 Synthesis of Nanomaterials Based on Laser Ablation
of a Bulk Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168
7.4 Laser Ablation in Vacuum/Gas Environment .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
7.5 Laser Ablation in Liquids: Formation of Colloidal
Nanoparticles.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
7.5.1 Ablation Mechanisms .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
7.5.2 Effect of Laser Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176
7.5.3 Effect of Stabilizing Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177
7.5.4 Process Model .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
7.6 Synthesis of Nanomaterials Based on Laser
Interaction with Micro/Nanomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
7.7 Conclusions and Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183
8 Ultrafast Laser Micro- and Nanostructuring.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
Wolfgang Kautek and Magdalena Forster
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190
8.2 Theoretical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190
8.2.1 Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191
8.2.2 Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
8.2.3 Thermodynamic Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195
8.3 Recent Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .198
8.3.1 Top-Down Approaches to Nanostructures . . . . . . . . . . . . . . . . .198
8.3.2 Thin Film Ablation .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
8.3.3 Incubation Phenomena .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
8.3.4 Bottom-Up Approaches to Nanostructures . . . . . . . . . . . . . . . .203
8.3.5 Biogenetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .204
8.4 Outlook .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
8.4.1 Recent Instrumental Developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
8.4.2 Nanostructuring in the Nearfield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
8.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .209
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .209
9 3D Fabrication of Embedded Microcomponents .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
Koji Sugioka and Stefan Nolte
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
9.2 Principles of Internal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216
9.3 Refractive Index Modification.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
9.3.1 Advantages of Femtosecond Laser
in Photonic Device Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
9.3.2 Optical Waveguide Writing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
9.3.3 Fabrication of Photonic Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220
9.3.4 Fabrication of Fiber Bragg Gratings (FBGs) . . . . . . . . . . . . . .223
9.4 Formation of 3D Hollow Microstructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
9.4.1 Direct Ablation in Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
9.4.2 Internal Modification Followed by Wet Etching .. . . . . . . . . .226
9.5 3D Integration of Microcomponents .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .228
9.6 Beam Shaping for Fabrication of 3D Microcomponents .. . . . . . . . . . .231
9.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234
10 Micromachining and Patterning .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
Jürgen Ihlemann
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
10.2 Direct Writing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .240
10.3 Micro Fluidics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241
10.4 Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243
10.5 Diffractive Optical Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .245
10.6 Micro Lenses/Lens Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .246
10.7 Patterning of Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .249
10.8 Dielectric Masks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .252
10.9 Two Step Processing of Layers: Ablation C Oxidation .. . . . . . . . . . . .253
10.10 Summary and Outlook .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .255
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256
11 Laser Transfer Techniques for DigitalMicrofabrication . . . . . . . . . . . . . . . .259
Alberto Piqué
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .259
11.2 Lasers in Digital Microfabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .261
11.3 Origins of Laser Forward Transfer .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .262
11.3.1 Early Work in Laser-Induced Forward Transfer . . . . . . . . . . .262
11.3.2 Transferring Metals and Other Materials with LIFT . . . . . .264
11.3.3 Fundamental Limitations of the Basic LIFT Approach . . .265
11.4 Evolution of Laser Forward Transfer Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265
11.4.1 The Role of the Donor Substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .266
11.4.2 Development of Multilayered Ribbons
and Dynamic Release Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267
11.4.3 LIFT with Ultra-Short Laser Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .269
11.4.4 Laser Transfer of Composite
orMatrix-BasedMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .270
11.4.5 Laser Transfer of Rheological Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .271
11.4.6 Jetting Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .273
11.4.7 Laser Transfer of Entire Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .274
11.4.8 Recent Variations of the Basic LIFT Process . . . . . . . . . . . . . .276
11.5 Applications .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .277
11.5.1 Microelectronics.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .277
11.5.2 Sensor and Micropower Generation Devices . . . . . . . . . . . . . .278
11.5.3 Biomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .281
11.5.4 Embedded Electronic Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .283
11.6 The Future of Laser-Based Digital Microfabrication . . . . . . . . . . . . . . .284
11.6.1 Laser Forward Transfer vs. Other Digital
Microfabrication Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .285
11.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .286
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .287
12 Hybrid Laser Processing of Transparent Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .293
Hiroyuki Niino
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .293
12.2 Multiwavelength Excitation Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .294
12.2.1 Principle of Multiwavelength Excitation Process. . . . . . . . . .294
12.2.2 Microfabrication of Transparent Materials
by Multiwavelength Excitation Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .295
12.3 Media Assisted Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .297
12.3.1 Classification of Media Assisted Processes . . . . . . . . . . . . . . . .297
12.3.2 LIPAA Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .299
12.3.3 LIBWE Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .302
12.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .306
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .307
13 Drilling, Cutting,Welding, Marking and Microforming .. . . . . . . . . . . . . . . .311
Oliver Suttmann, Anas Moalem, Rainer Kling,
and Andreas Ostendorf
13.1 Parameter Regimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311
13.1.1 Pulse Duration .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .312
13.1.2 Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .314
13.1.3 Beam Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .315
13.1.4 Output Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .315
13.2 Drilling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .316
13.2.1 Laser Drilling Without Relative Movement
Between Laser Spot andWorkpiece. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .316
13.2.2 Laser Drilling with Relative Movement
Between Laser Spot andWorkpiece. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .318
13.2.3 Trepanning Head . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .320
13.2.4 Further Trends and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .320
13.3 Cutting .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .321
13.3.1 Melt Cutting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .321
13.3.2 Laser Ablation Cutting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .323
13.3.3 Laser Scribing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .326
13.3.4 Laser Induced Stress Cutting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .326
13.4 Microjoining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .327
13.4.1 Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .327
13.4.2 Soldering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .330
13.5 Marking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .331
13.5.1 Laser Marking by Material Removal or Addition . . . . . . . . .331
13.5.2 Laser Marking by Material Modification . . . . . . . . . . . . . . . . . .332
13.6 Microforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .333
13.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .333
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .334
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .337
for the Micro and Nanometer Scale Domains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Henry Helvajian
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Laser Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Laser Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Laser Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.3 Laser Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.4 Laser Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.5 Laser Pulse Temporal Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.6 Pattern Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3 Possible Steps Forward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2 Theory and Simulation of Laser Ablation - from Basic
Mechanisms to Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Laurent J. Lewis and Danny Perez
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2 Basic Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.1 Light-Matter Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.2 Material Removal from the Target:
The Basics of Ablation.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3 Ablation in the Thermal Regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.1 Thermodynamics .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.2 ConventionalWisdom: Early Theories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.3 A New Understanding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.4 Computer Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.5 The Femtosecond Regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.6 Picosecond Pulses and Beyond .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.7 Molecular Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4 Materials Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4.1 Nanoparticle Production in Solvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4.2 Damages and Heat Affected Zones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5 Conclusions and Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3 Laser Devices and Optical Systems for Laser Precision
Microfabrication .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
KunihikoWashio
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2 Laser Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.1 Various Laser Devices from Deep UV
andMid-IR Spectral Region .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.2 Diode-Pumped High-Brightness Continuous
Wave Solid-State Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.3 Q-Switching and Cavity Dumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.4 Picosecond and Femtosecond, Ultrafast
Pulsed Laser Oscillators and Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3 Optical Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.1 Optical Components for Modification
and Control of Laser Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.2 Optical Systems for Beam Shape Transformation .. . . . . . . . 78
3.3.3 Galvanometer-Based Optical Scanners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.4 Spatial Light Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.5 Nonlinear-Optical Systems for Harmonic Generation.. . . . 83
3.3.6 Optical Systems for Beam Characterization
and ProcessMonitoring .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4 Fundamentals of Laser-Material Interaction
and Application to Multiscale Surface Modification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Matthew S. Brown and Craig B. Arnold
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2 Fundamentals of Laser Surface Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.1 Light Propagation in Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.2 Energy Absorption Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.3 The Heat Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.4 Material Response. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3 Laser Surface Processing Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
4.4 Case Study I: Surface Texturing for Enhanced
Optical Properties .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104
4.5 Case Study II: Surface Texturing for Enhanced
Biological Interactions.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
4.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
5 Temporal Pulse Tailoring in Ultrafast Laser
Manufacturing Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
Razvan Stoian, Matthias Wollenhaupt, Thomas Baumert,
and Ingolf V. Hertel
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
5.2 Fundamental and Technical Aspects of Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . .123
5.2.1 Basics of Ultrashort Laser Pulses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
5.2.2 Frequency Domain Manipulation
(Mathematical Formalism). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
5.2.3 Analytical Phase Functions Relevant
to Material Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127
5.2.4 Pulse Shaping in the Spatial Domain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
5.2.5 Experimental Implementations for Temporal
Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
5.2.6 Optimization Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132
5.3 Material Interaction with Temporally Shaped Pulses . . . . . . . . . . . . . . .133
5.3.1 Control of Laser-Induced Primary Excitation Events . . . . .133
5.3.2 Engineered Thermodynamic Phase-Space Trajectories . . .135
5.3.3 Refractive Index Engineering by Temporally
Tailored Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
5.4 Conclusion and Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
6 Laser Nanosurgery,Manipulation, and Transportation
of Cells and Tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
Wataru Watanabe
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
6.2 Laser Direct Surgery .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146
6.2.1 Nanosurgery with a Focused Laser Beam
in the Ultraviolet and Visible Region. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146
6.2.2 Femtosecond Laser Surgery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147
6.3 Nanoparticles and Chromophore-Assisted
Manipulation and Processing.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
6.3.1 Chromophore-Assisted Laser Inactivation .. . . . . . . . . . . . . . . .153
6.3.2 Plasmonic Nanosurgery .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154
6.4 Laser Manipulation and Transport of Cells and Tissues . . . . . . . . . . . .154
6.4.1 Optical Tweezers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154
6.4.2 Laser Transport of Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
6.5 Application of Laser-Induced ShockWaves
andMechanicalWaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
6.5.1 Targeted Gene Transfection by
Laser-InducedMechanicalWaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
6.5.2 Femtosecond Laser-Induced ShockWave in Liquid . . . . . . .156
6.6 Laser-Induced Stimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157
6.7 Fabrication of Microfluidic Channels and Scaffolds . . . . . . . . . . . . . . . .158
6.8 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
7 Laser Synthesis of Nanomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
Sébastien Besner and Michel Meunier
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
7.2 General Principles of Laser Based Synthesis of Nanomaterials . . . .164
7.2.1 Nanosecond Pulsed Laser Ablation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165
7.2.2 Ultrafast Laser Ablation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
7.3 Synthesis of Nanomaterials Based on Laser Ablation
of a Bulk Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168
7.4 Laser Ablation in Vacuum/Gas Environment .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
7.5 Laser Ablation in Liquids: Formation of Colloidal
Nanoparticles.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
7.5.1 Ablation Mechanisms .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
7.5.2 Effect of Laser Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176
7.5.3 Effect of Stabilizing Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177
7.5.4 Process Model .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
7.6 Synthesis of Nanomaterials Based on Laser
Interaction with Micro/Nanomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
7.7 Conclusions and Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183
8 Ultrafast Laser Micro- and Nanostructuring.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
Wolfgang Kautek and Magdalena Forster
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190
8.2 Theoretical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190
8.2.1 Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191
8.2.2 Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
8.2.3 Thermodynamic Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195
8.3 Recent Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .198
8.3.1 Top-Down Approaches to Nanostructures . . . . . . . . . . . . . . . . .198
8.3.2 Thin Film Ablation .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
8.3.3 Incubation Phenomena .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
8.3.4 Bottom-Up Approaches to Nanostructures . . . . . . . . . . . . . . . .203
8.3.5 Biogenetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .204
8.4 Outlook .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
8.4.1 Recent Instrumental Developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
8.4.2 Nanostructuring in the Nearfield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
8.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .209
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .209
9 3D Fabrication of Embedded Microcomponents .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
Koji Sugioka and Stefan Nolte
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
9.2 Principles of Internal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216
9.3 Refractive Index Modification.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
9.3.1 Advantages of Femtosecond Laser
in Photonic Device Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
9.3.2 Optical Waveguide Writing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
9.3.3 Fabrication of Photonic Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220
9.3.4 Fabrication of Fiber Bragg Gratings (FBGs) . . . . . . . . . . . . . .223
9.4 Formation of 3D Hollow Microstructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
9.4.1 Direct Ablation in Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
9.4.2 Internal Modification Followed by Wet Etching .. . . . . . . . . .226
9.5 3D Integration of Microcomponents .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .228
9.6 Beam Shaping for Fabrication of 3D Microcomponents .. . . . . . . . . . .231
9.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234
10 Micromachining and Patterning .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
Jürgen Ihlemann
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
10.2 Direct Writing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .240
10.3 Micro Fluidics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241
10.4 Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243
10.5 Diffractive Optical Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .245
10.6 Micro Lenses/Lens Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .246
10.7 Patterning of Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .249
10.8 Dielectric Masks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .252
10.9 Two Step Processing of Layers: Ablation C Oxidation .. . . . . . . . . . . .253
10.10 Summary and Outlook .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .255
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256
11 Laser Transfer Techniques for DigitalMicrofabrication . . . . . . . . . . . . . . . .259
Alberto Piqué
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .259
11.2 Lasers in Digital Microfabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .261
11.3 Origins of Laser Forward Transfer .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .262
11.3.1 Early Work in Laser-Induced Forward Transfer . . . . . . . . . . .262
11.3.2 Transferring Metals and Other Materials with LIFT . . . . . .264
11.3.3 Fundamental Limitations of the Basic LIFT Approach . . .265
11.4 Evolution of Laser Forward Transfer Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265
11.4.1 The Role of the Donor Substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .266
11.4.2 Development of Multilayered Ribbons
and Dynamic Release Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267
11.4.3 LIFT with Ultra-Short Laser Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .269
11.4.4 Laser Transfer of Composite
orMatrix-BasedMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .270
11.4.5 Laser Transfer of Rheological Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .271
11.4.6 Jetting Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .273
11.4.7 Laser Transfer of Entire Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .274
11.4.8 Recent Variations of the Basic LIFT Process . . . . . . . . . . . . . .276
11.5 Applications .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .277
11.5.1 Microelectronics.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .277
11.5.2 Sensor and Micropower Generation Devices . . . . . . . . . . . . . .278
11.5.3 Biomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .281
11.5.4 Embedded Electronic Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .283
11.6 The Future of Laser-Based Digital Microfabrication . . . . . . . . . . . . . . .284
11.6.1 Laser Forward Transfer vs. Other Digital
Microfabrication Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .285
11.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .286
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .287
12 Hybrid Laser Processing of Transparent Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .293
Hiroyuki Niino
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .293
12.2 Multiwavelength Excitation Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .294
12.2.1 Principle of Multiwavelength Excitation Process. . . . . . . . . .294
12.2.2 Microfabrication of Transparent Materials
by Multiwavelength Excitation Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .295
12.3 Media Assisted Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .297
12.3.1 Classification of Media Assisted Processes . . . . . . . . . . . . . . . .297
12.3.2 LIPAA Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .299
12.3.3 LIBWE Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .302
12.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .306
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .307
13 Drilling, Cutting,Welding, Marking and Microforming .. . . . . . . . . . . . . . . .311
Oliver Suttmann, Anas Moalem, Rainer Kling,
and Andreas Ostendorf
13.1 Parameter Regimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311
13.1.1 Pulse Duration .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .312
13.1.2 Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .314
13.1.3 Beam Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .315
13.1.4 Output Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .315
13.2 Drilling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .316
13.2.1 Laser Drilling Without Relative Movement
Between Laser Spot andWorkpiece. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .316
13.2.2 Laser Drilling with Relative Movement
Between Laser Spot andWorkpiece. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .318
13.2.3 Trepanning Head . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .320
13.2.4 Further Trends and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .320
13.3 Cutting .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .321
13.3.1 Melt Cutting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .321
13.3.2 Laser Ablation Cutting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .323
13.3.3 Laser Scribing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .326
13.3.4 Laser Induced Stress Cutting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .326
13.4 Microjoining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .327
13.4.1 Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .327
13.4.2 Soldering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .330
13.5 Marking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .331
13.5.1 Laser Marking by Material Removal or Addition . . . . . . . . .331
13.5.2 Laser Marking by Material Modification . . . . . . . . . . . . . . . . . .332
13.6 Microforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .333
13.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .333
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .334
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .337
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