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。在過去十年間進行的一些早期實驗中，人們用鈦藍寶石放大器產(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械加工領(lǐng)域所擁有的巨大潛能。但是對于精密機械加工而言，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散情況下進行加工，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遠不夠。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。在過去十年間進行的一些早期實驗中，人們用鈦藍寶石放大器產(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械加工領(lǐng)域所擁有的巨大潛能。但是對于精密機械加工而言，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散情況下進行加工，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遠不夠。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，以至于無法達到想要的1µm級的光學穿透深度。
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)運作的功率水平能達到500W甚至更高。在同等的亮度下，細小的光纖芯徑使得光纖激光器內(nèi)的激光強度要遠遠高于碟片激光器。
然而，當放大皮秒脈沖和飛秒脈沖時，高光強會導(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100MW）和低光強，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250μJ）和高平均功率（高達100W）的皮秒激光器，需要使用具有以下獨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，達到紅外功率超過100W，綠光功率達到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。
到達工件的功率
利用超快激光實現(xiàn)精細加工，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)將需要一套的光學元件，如掃描儀、F-Theta透鏡、聚焦元件、波片、穿孔光學元件，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)展做好了準備。
噴油嘴鉆孔
生產(chǎn)節(jié)油、低排放的發(fā)動機，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元件進行噴油嘴的鉆孔，
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芯片的最先進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)。由于存在機械接觸，晶圓在鋸割的過程中必須非常小心謹慎，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度，這對于晶圓在下一個處理步驟中保持良好的機械負荷非常重要（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?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?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度。此外，顯示行業(yè)的發(fā)展趨勢正在向超薄玻璃和化學硬化覆層玻璃發(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。最先進的顯示器玻璃切割是通過機械劃線實現(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