用超短脈沖激光實現(xiàn)冷消融,、冷切割和冷鉆孔,，是二十多年來人們一直期望能夠在工業(yè)應(yīng)用中實現(xiàn)的一個愿景,。在過去十年間進(jìn)行的一些早期實驗中,，人們用鈦藍(lán)寶石放大器產(chǎn)生超快激光，這些實驗已經(jīng)證明了超短激光脈沖在精密機(jī)械加工領(lǐng)域所擁有的巨大潛能,。但是對于精密機(jī)械加工而言,，到底多短的脈沖才能滿足精密加工的要求呢？當(dāng)激光脈沖作用到材料上時會發(fā)生怎樣的反應(yīng),？對脈沖與材料的作用時間范圍有何要求,？

　　作用原理、作用時間,、能量密度

　　以金屬對激光脈沖的吸收為例,，其從根本上說是能量從激光脈沖轉(zhuǎn)移到金屬材料的電子的一個能量轉(zhuǎn)移過程。對于持續(xù)時間為納秒級的脈沖而言,，電子與所處晶格之間會發(fā)生一個溫度平衡過程,，并且最終開始融化材料，直到部分蒸發(fā),。

　　在這個過程中,，脈沖越短，能量轉(zhuǎn)移到電子的速度越快,。在理想條件下,，如果脈沖足夠短，那么在電子與晶格之間便沒有足夠的時間產(chǎn)生溫度平衡,。接下來,，“熱電子”（相對于冷晶格而言）有兩種方式與晶格作用：在一個特征時間后，來自電子的熱量開始向周圍的晶格擴(kuò)散,。這種電子-聲子弛豫時間是物質(zhì)的一種屬性,，其典型值為1~10ps,。在大致相同的時間范圍內(nèi)，但稍有些延遲,，熱電子和晶格之間發(fā)生了突然的能量轉(zhuǎn)移,，從而導(dǎo)致相位爆炸，即激活體的蒸發(fā),。

　　從上述解釋可以得出以下兩個基本結(jié)論：

　　1,、激光脈沖的持續(xù)時間必須足夠短，以防止電子與晶格之間發(fā)生溫度平衡過程,。對于金屬和大多數(shù)其他材料而言,，均要求脈沖持續(xù)時間在1~10ps之間甚至更短。

　　2,、由于在熱擴(kuò)散和消融之間有一個時間延遲,，因此始終會存有殘余熱量，即使是在脈沖最短的情況下,。

　　因此,，冷加工必須定義為在最小的熱擴(kuò)散情況下進(jìn)行加工，這要求脈沖持續(xù)時間在1~10ps之間甚至更短,。

　　雖然皮秒/飛秒激光脈沖較短的持續(xù)時間是冷加工的一個必要條件,，但是光有足夠短的脈沖還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。如果熱電子因為過高的激光能量密度而被“過度加熱”,，那么熱擴(kuò)散效應(yīng)將較為明顯,，整個加工過程則會轉(zhuǎn)變?yōu)闊徇^程。一般來講,，大約1J/cm2的能量密度,，是用皮秒/飛秒激光脈沖進(jìn)行消融加工、而不會產(chǎn)生能夠測量得到的熱效應(yīng)的最佳能量臨界點,，即此時具有最佳的低熱穿透深度,。

　　線性吸收與非線性吸收

　　然而要實現(xiàn)最佳能量臨界點并非易事。除了上述提到的決定熱影響的因素外,，光學(xué)穿透深度決定了激光脈沖的哪個部分在什么深度被吸收,。

　　對于溫和消融而言，光穿透深度應(yīng)該在1µm的區(qū)域甚至更淺,，這主要有三個原因：

　　1,、光穿透深度決定消融深度。深度太大的消融將不再被視為溫和消融,，因為其將導(dǎo)致粗糙的表面和邊緣,，特別是對于硬而脆的材料而言，還會有微裂紋產(chǎn)生。

　　2,、若光穿透深度過大,，消融過程將變得效率低下，因為大多數(shù)激光脈沖可能不能被吸收,，能量浪費(fèi)較大,。

　　3、針對基底的選擇性消融材料（如薄膜太陽能電池的絕緣體上的薄膜刻圖）,，光的穿透深度過大可能造成基底材料的損害,。

　　用超短脈沖激光實現(xiàn)冷消融、冷切割和冷鉆孔,，是二十多年來人們一直期望能夠在工業(yè)應(yīng)用中實現(xiàn)的一個愿景。在過去十年間進(jìn)行的一些早期實驗中,，人們用鈦藍(lán)寶石放大器產(chǎn)生超快激光,，這些實驗已經(jīng)證明了超短激光脈沖在精密機(jī)械加工領(lǐng)域所擁有的巨大潛能。但是對于精密機(jī)械加工而言,，到底多短的脈沖才能滿足精密加工的要求呢,？當(dāng)激光脈沖作用到材料上時會發(fā)生怎樣的反應(yīng)？對脈沖與材料的作用時間范圍有何要求,？

　　作用原理,、作用時間、能量密度

　　以金屬對激光脈沖的吸收為例,，其從根本上說是能量從激光脈沖轉(zhuǎn)移到金屬材料的電子的一個能量轉(zhuǎn)移過程,。對于持續(xù)時間為納秒級的脈沖而言，電子與所處晶格之間會發(fā)生一個溫度平衡過程,，并且最終開始融化材料,，直到部分蒸發(fā)。

　　在這個過程中,，脈沖越短,，能量轉(zhuǎn)移到電子的速度越快。在理想條件下,，如果脈沖足夠短,，那么在電子與晶格之間便沒有足夠的時間產(chǎn)生溫度平衡。接下來,，“熱電子”（相對于冷晶格而言）有兩種方式與晶格作用：在一個特征時間后,，來自電子的熱量開始向周圍的晶格擴(kuò)散。這種電子-聲子弛豫時間是物質(zhì)的一種屬性,，其典型值為1~10ps,。在大致相同的時間范圍內(nèi)，但稍有些延遲，熱電子和晶格之間發(fā)生了突然的能量轉(zhuǎn)移,，從而導(dǎo)致相位爆炸,，即激活體的蒸發(fā)。

　　從上述解釋可以得出以下兩個基本結(jié)論：

　　1,、激光脈沖的持續(xù)時間必須足夠短,，以防止電子與晶格之間發(fā)生溫度平衡過程。對于金屬和大多數(shù)其他材料而言,，均要求脈沖持續(xù)時間在1~10ps之間甚至更短,。

　　2、由于在熱擴(kuò)散和消融之間有一個時間延遲,，因此始終會存有殘余熱量,，即使是在脈沖最短的情況下。

　　因此,，冷加工必須定義為在最小的熱擴(kuò)散情況下進(jìn)行加工,，這要求脈沖持續(xù)時間在1~10ps之間甚至更短。

　　雖然皮秒/飛秒激光脈沖較短的持續(xù)時間是冷加工的一個必要條件,，但是光有足夠短的脈沖還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,。如果熱電子因為過高的激光能量密度而被“過度加熱”，那么熱擴(kuò)散效應(yīng)將較為明顯,，整個加工過程則會轉(zhuǎn)變?yōu)闊徇^程,。一般來講，大約1J/cm2的能量密度,，是用皮秒/飛秒激光脈沖進(jìn)行消融加工,、而不會產(chǎn)生能夠測量得到的熱效應(yīng)的最佳能量臨界點，即此時具有最佳的低熱穿透深度,。

　　線性吸收與非線性吸收

　　然而要實現(xiàn)最佳能量臨界點并非易事,。除了上述提到的決定熱影響的因素外，光學(xué)穿透深度決定了激光脈沖的哪個部分在什么深度被吸收,。

　　對于溫和消融而言,，光穿透深度應(yīng)該在1µm的區(qū)域甚至更淺，這主要有三個原因：

　　1,、光穿透深度決定消融深度,。深度太大的消融將不再被視為溫和消融，因為其將導(dǎo)致粗糙的表面和邊緣,，特別是對于硬而脆的材料而言,，還會有微裂紋產(chǎn)生。

　　2,、若光穿透深度過大,，消融過程將變得效率低下,，因為大多數(shù)激光脈沖可能不能被吸收，能量浪費(fèi)較大,。

　　3,、針對基底的選擇性消融材料（如薄膜太陽能電池的絕緣體上的薄膜刻圖），光的穿透深度過大可能造成基底材料的損害,。

　　飛秒脈沖和皮秒脈沖的線性吸收所產(chǎn)生的影響往往被忽視,，因為脈沖的峰值功率非常高，以至于貫穿多光子過程的非線性吸收相對于線性吸收來講占據(jù)了主導(dǎo)地位,。如果上述情況的脈沖持續(xù)時間和能量密度的邊界條件都得以滿足,，那么這種說法往往會產(chǎn)生誤導(dǎo)。
 
　　為了直觀地說明這一點,，圖1給出了硅對能量密度為1J/cm2的脈沖的吸收曲線,。 對于持續(xù)時間為6ps甚至是更寬的脈沖，線性吸收都絕對超過非線性吸收占據(jù)了主導(dǎo)地位,。即使脈沖持續(xù)時間為500　fs,，這種狀況也不會改變：非線性吸仍然非常低，以至于無法達(dá)到想要的1µm級的光穿透深度,。

圖1 硅對能量密度為1J/cm2的激光脈沖的吸收曲線

　　對于脈沖持續(xù)時間為6ps的脈沖（左圖）,，線性吸收超過了非線性吸收占據(jù)主導(dǎo)地位,。即使持續(xù)時間為500fs（右圖）的脈沖,，其非線性吸收也非常，以至于無法達(dá)到想要的1µm級的光學(xué)穿透深度,。

　　選擇一個紫外波長,，使理論上的最佳性能與實踐中的（如用于硅片切割）相同。出于某種目的,，在加工硅片中,，使用綠光波長可能就足以滿足要求。

　　具有適當(dāng)能量密度與波長的飛秒脈沖及皮秒脈沖,，適合用于那些要求熱影響非常小的材料加工應(yīng)用,。此外，對于皮秒脈沖的持續(xù)時間而言,，產(chǎn)生這些脈沖的技術(shù)方法可以大大簡化,。無需啁啾脈沖放大（CPA）的直接二極管泵浦和放大（功率調(diào)整），對于超短脈沖技術(shù)在工業(yè)市場的成功,，是非常必需的,。事實上，對于工業(yè)微加工領(lǐng)域一種具有成本效益的應(yīng)用而言,，必須將平均輸出功率增加到50W甚至更高,。

　　光纖與碟片的結(jié)合

　　20世紀(jì)70年代棒狀激光器（開始是燈泵浦后來是二極管泵浦）問世,。在超越高平均功率對光束質(zhì)量限制的同時，棒狀激光器,、二極管泵浦碟片激光器技術(shù)均在20世紀(jì)90年代獲得了長足發(fā)展,，使其成為了工業(yè)領(lǐng)域千瓦級連續(xù)應(yīng)用最可靠的技術(shù)選擇。

　　光纖激光器技術(shù)和碟片激光器技術(shù)比傳統(tǒng)的棒狀激光器技術(shù)更為優(yōu)越,，因為它們采用了比激光激活體更大的散熱面,，使TEM00連續(xù)運(yùn)作的功率水平能達(dá)到500W甚至更高。在同等的亮度下,，細(xì)小的光纖芯徑使得光纖激光器內(nèi)的激光強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碟片激光器,。

　　然而，當(dāng)放大皮秒脈沖和飛秒脈沖時,，高光強(qiáng)會導(dǎo)致非線性效應(yīng),，如自相位調(diào)制或拉曼散射，這需要在超快光纖放大器中增加復(fù)雜的啁啾脈沖放大,，或?qū)⒖色@得的最大脈沖能量限制在6μJ甚至更低,。用碟片激光器技術(shù)作為皮秒脈沖的放大器，能夠?qū)崿F(xiàn)高峰值功率（高達(dá)100MW）和低光強(qiáng),，并且不會產(chǎn)生非線性效應(yīng),。

　　為了實現(xiàn)具有高脈沖能量（高達(dá)250μJ）和高平均功率（高達(dá)100W）的皮秒激光器，需要使用具有以下獨(dú)特配置的主振功率放大器：一個基于電信組件的被動鎖模光纖激光器,，作為一個單片集成的,、具有成本效益的、可靠的光源,，用于低功率和低脈沖能量皮秒脈沖的產(chǎn)生,。

　　利用碟片激光器將光纖激光器的輸出功率放大5個數(shù)量級，達(dá)到紅外功率超過100W,，綠光功率達(dá)到60W,，脈沖頻率范圍200~800kHz，無需使用復(fù)雜的啁啾脈沖放大器,。即使在這些功率水平,，也能實現(xiàn)M2<1.3的卓越光束質(zhì)量。此外,，對于激光器的每個可選的參數(shù)組合,，其輸出光束質(zhì)量均能保持上述水平。

　　到達(dá)工件的功率

　　利用超快激光實現(xiàn)精細(xì)加工,，最主要的任務(wù)是操縱激光束,，并將激光功率轉(zhuǎn)換成最大的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。整個加工過程需要充分考慮工件的幾何特征以及加工精度等要求,，構(gòu)建最終的加工系統(tǒng),。該系統(tǒng)將需要一套的光學(xué)元件,，如掃描儀、F-Theta透鏡,、聚焦元件,、波片、穿孔光學(xué)元件,，以及許多其他元件,。

　　整個加工過程還需要考慮線性或旋轉(zhuǎn)加工。無論是最先進(jìn)的線性加工,，還是掃描儀,，都沒有動態(tài)應(yīng)用超過1MHz的脈沖頻率，盡管激光技術(shù)可能為這方面的發(fā)展做好了準(zhǔn)備,。

　　噴油嘴鉆孔

　　生產(chǎn)節(jié)油,、低排放的發(fā)動機(jī)，是汽車行業(yè)面臨的一個重大挑戰(zhàn),，解決這個問題的關(guān)鍵是實現(xiàn)更加清潔的燃料燃燒,，這個問題可以通過優(yōu)化燃油噴嘴來實現(xiàn)。

　　用高功率皮秒激光器鉆孔噴油嘴,，產(chǎn)生了非常尖銳的邊緣,，孔內(nèi)沒有毛刺或熔化，表面非常光滑,，從而能實現(xiàn)最優(yōu)化的燃料噴霧,。此外，噴油嘴的錐度可以從正值,、零值到負(fù)值,，為優(yōu)化噴射過程提供了一定的自由度,。50W的平均功率與高達(dá)250μJ的脈沖能量相結(jié)合,，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高質(zhì)量的鉆孔（見圖2）,。

圖2 用高功率皮秒激光器和螺旋鉆孔光學(xué)元件進(jìn)行噴油嘴的鉆孔，

產(chǎn)生的無毛刺和光滑的孔

　　半導(dǎo)體晶圓切割

   　目前,，從一塊硅片上分離出計算機(jī)芯片的最先進(jìn)的方法是用金剛石鋸切割,。然而薄硅片非常易碎，這回也是金剛石鋸切割所面臨的一大挑戰(zhàn),。由于存在機(jī)械接觸,，晶圓在鋸割的過程中必須非常小心謹(jǐn)慎，以避免破壞晶圓或是在切割邊緣產(chǎn)生破損,。

   　皮秒激光器與高速和精密線性加工相結(jié)合,，可作為一種非接觸式工具實現(xiàn)比金剛石鋸更快速的晶圓切割,。使用皮秒脈沖激光器的另一個優(yōu)點是：其能實現(xiàn)更高的切割質(zhì)量以及可以忽略的熱影響區(qū)，這樣切割邊緣將具有更高的強(qiáng)度,，這對于晶圓在下一個處理步驟中保持良好的機(jī)械負(fù)荷非常重要（見圖3）

圖3 用皮秒脈沖激光器切割半導(dǎo)體晶圓,，不但能提高生產(chǎn)量，

還能改善切割質(zhì)量,，并且切割邊緣具有更大的強(qiáng)度

　　心血管支架切割

    　心血管支架制造商正在試圖利用高分子材料的優(yōu)勢,，例如可吸收性。使用連續(xù)光纖激光器或固體激光器實現(xiàn)的最先進(jìn)的激光聚變切割,，只適用于切割金屬支架,，并且會產(chǎn)生融化和毛刺，這將需要昂貴的后續(xù)處理過程,，同時也降低了產(chǎn)量,。

　　選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL、切割元件和旋轉(zhuǎn)加工,，皮秒激光器能實現(xiàn)與熔融切割相匹敵的切割速度,，并在切割質(zhì)量方面具有明顯優(yōu)勢，能將后續(xù)處理降低到最低程度,，進(jìn)而提高生產(chǎn)量,。此外，相同的皮秒激光器可用于切割聚合物及其他非金屬支架,，能實現(xiàn)較高的切割速度與切割質(zhì)量,，使其成為用于醫(yī)療設(shè)備制造的一種具有潛力的切割工具（見圖4）。

圖4 用于心血管支架和其他醫(yī)療設(shè)備的主要材料

　　適當(dāng)?shù)牟ㄩL,、切割元件和旋轉(zhuǎn)加工,，能使皮秒激光器實現(xiàn)高速切割，并且能獲得較高的高分子材料切割質(zhì)量,，這些材料是開發(fā)出來用于心血管支架和其他醫(yī)療設(shè)備的主要材料,。

　　顯示器玻璃切割

　　顯示器制造商正在尋找新的切割解決方案，要求切割后玻璃的邊緣具有較高的強(qiáng)度,。此外,，顯示行業(yè)的發(fā)展趨勢正在向超薄玻璃和化學(xué)硬化覆層玻璃發(fā)展，并且需要靈活的形狀以實現(xiàn)時尚設(shè)計,。

　　與硅類似,，玻璃是一種脆性硬質(zhì)材料。最先進(jìn)的顯示器玻璃切割是通過機(jī)械劃線實現(xiàn)的,。這種方法產(chǎn)生的切割邊緣通常會有裂縫和碎屑,，并且切割邊緣的強(qiáng)度較差,，這使得邊緣打磨成為一個必不可少的后續(xù)步驟。打磨步驟的必要性不僅限制了玻璃結(jié)構(gòu)的靈活性,，而且也限制了玻璃的厚度,。

　　經(jīng)過多年的應(yīng)用開發(fā)，皮秒激光器已經(jīng)在移動顯示器的批量生產(chǎn)中實現(xiàn)了較大突破（見圖5）,，不僅切割邊緣質(zhì)量有了提高,，而且還實現(xiàn)靈活的幾何形狀。皮秒激光器已經(jīng)成為切割超薄玻璃以及硬化玻璃的一種功能強(qiáng)大的工具,。

圖5 皮秒激光器能用于切割多種玻璃，包括超薄玻璃和

用于移動顯示器和平板電腦的硬化玻璃